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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwingungsdämpfungsvorrichtung für Schiffsgetriebe, die zumindest einen Sensor zum Erfassen von Schwingungen, zumindest ein Aktor und eine Steuereinrichtung zur Kompensation von Schwingungen umfasst. Ferner wird ein Schiffsantrieb mit einer solchen Schwingungsdämpfungsvorrichtung vorgeschlagen.
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In Schiffsantriebssystemen umfassen die Schiffsgetriebe oftmals ein Drucklager für den Schiffspropeller. Deshalb müssen die Schiffsgetriebe neben den zu übertragenden Drehmomenten zusätzlich enorme Vortriebskräfte aufnehmen. Da beides gegenüber der Schiffsstruktur bzw. ein Schiffsfundament abgestützt werden muss, kommen in der Regel sehr harte oder teils gar keine elastischen Lagerungen zur akustischen Entkopplung zum Einsatz. Durch die zunehmende Hybridisierung und Elektrifizierung auch bei Schiffsantrieben entfällt die akustische Maskierung bzw. Überlagerung durch einen Hauptantriebsmotor in Form eines Verbrennungsmotors. Dadurch treten Getriebegeräusche, wie Verzahnungsgeräusche, beispielsweise das sogenannte Verzahnungsheulen, dominant in den Vordergrund.
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Bekannte Maßnahmen zur Schallreduzierung sind elastische Lagerungen, welche in der Regel auf Grund der zu übertragenden Kräfte nicht weich genug abgestimmt werden können, um akustisch wirksam zu sein. Darüber hinaus werden Verzahnungsgeräusche eines Schiffsgetriebes selbst bei einer geringen Steifigkeit eines passiven elastischen Lagerelements noch auf die Schiffsstruktur übertragen. Ebenso bekannt sind aktive Systeme, welche im niederfrequenten Bereich, d.h. unter 100 Hz, arbeiten, um die Motorengeräusche zu reduzieren. Deshalb sind sie auf Grund ihres Wirkbereiches für hochfrequente Getriebegeräusche, z.B. über 1,5 kHz ungeeignet.
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Aus der
DE 102 23 965 A1 ist ferner eine Schwingungsdämpfungsvorrichtung für Antriebsaggregate von Schiffsantriebsanlagen bekannt. Diese Schwingungsdämpfungsvorrichtung umfasst Körperschalldämpfungselemente, die in die Lagerungen des Antriebsaggregats integriert sind. Die genannten Körperschalldämpfungselemente sind als Aktor- und Sensorglieder ausgebildet. Mittels der Sensorglieder der Körperschalldämpfungselemente sind im Betrieb des Antriebsaggregats entstehende Schwingungen und Geräusche erfassbar. Mit einer Steuer- und Regeleinrichtung sind die Aktorglieder der Körperschalldämpfungselemente so ansteuerbar, dass sie einem erfassten Schwingungsverhalten und den erfassten Geräuschen des Antriebsaggregats entgegenwirken. Das Körperschalldämpfungselement hat den Nachteil lediglich in einer translatorischen Ausrichtung arbeiten zu können, da Aktorglied und Sensorglied eine Einheit bilden. Dies kann im realen Betrieb zu einer unzureichenden Kompensation von Störgeräuschen führen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine verbesserte Schwingungsdämpfungsvorrichtung für Schiffsgetriebe sowie einen Schiffsantrieb mit einer solchen Schwingungsdämpfungsvorrichtung zu schaffen.
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Diese Aufgaben werden durch eine Schwingungsdämpfungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch einen Schiffantrieb gemäß Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Demnach wird eine Schwingungsdämpfungsvorrichtung für Schiffsgetriebe vorgeschlagen, die zumindest einen Sensor zum Erfassen von Schwingungen, zumindest einen Aktor und eine Steuereinrichtung zur Kompensation von Schwingungen umfasst. Die Steuereinrichtung ist signalübertragend mit dem zumindest einen Sensor und mit dem zumindest einen Aktor verbunden. Der Aktor ist in einem Kraftpfad zwischen dem Schiffsgetriebe und einem Schiffsfundament anordenbar. Unter einem Aktor wird insbesondere eine technische Baueinheit verstanden, die ein elektrisches Signal in mechanische Bewegungen umsetzt. Das elektrische Signal kann von der nachfolgend beschriebenen Steuereinheit gesendet werden. Das Schiffsfundament kann Bauteile des Schiffsrumpfes sowie Spanten, Längsträger oder andere tragende Bauteile für das Schiffsgetriebe umfassen.
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Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet den Aktor in Abhängigkeit der von dem Sensor erfassten Schwingungen so anzusteuern, dass eine Steifigkeit in dem Kraftpfad frequenzselektiv reduziert oder sogar vollständig eliminiert wird. Der Begriff Steuereinrichtung soll in einem breiten Sinne verstanden werden. Die Steuereinrichtung kann auch als Steuer- und Regeleinrichtung bezeichnet werden, da sie auch zur Durchführung von Regelungsfunktionen verwendet wird, wie im Folgenden ausgeführt. Die Steuereinrichtung kann dazu insbesondere elektronische Bauteile wie zumindest einen Prozessor, Datenspeicherelemente und geeignete Schnittstellen für den Daten- bzw. Signalaustausch umfassen. Die Steuereinrichtung kann ein speziell für die Schwingungsdämpfungseinheit eingerichtetes Steuergerät umfassen. In anderen Ausführungen kann die Steuereinrichtung auch ein übergeordnetes Steuergerät, beispielsweise ein Getriebesteuergerät, umfassen, welches dazu eingerichtet ist auch die Funktionen der Schwingungsdämpfungseinrichtung zu übernehmen.
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Der genannte Kraftpfad umfasst zumindest eine Lagerung, über die das Schiffsgetriebe in dem Schiffsfundament gelagert ist. Der oder die Aktoren der Schwingungsdämpfungseinrichtung können baulich in die jeweils zugeordnete Lagerung oder Lagerstelle integriert sein. Jeder Kraftpfad kann neben dem jeweils zugeordneten Aktor passive elastische Lagerelemente umfassen, deren Steifigkeit sehr hoch ist, da die Schwingungen mittels der frequenzselektiven Eliminierung mittels des jeweiligen Aktors gedämpft werden. Die hohe Steifigkeit der passiven Lagerelemente ermöglicht wiederum die Aufnahme bzw. Abstützung sehr hoher Kräfte, die sich insbesondere aus der Funktion des Drucklagers an dem Schiffsgetriebe zur Aufnahme und Übertragung der Propellerkräfte und Vortriebskräfte des Schiffs ergeben.
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Die vorgeschlagene Schwingungsdämpfungsvorrichtung kann insbesondere dazu ausgelegt werden hohe Frequenzen bis weit über 100 Hz in mindestens zwei orthogonal zueinander gelegenen Raumrichtungen an der Schnittstelle zwischen dem Schiffsgetriebe und dem Schiffsfundament zu kompensieren. Derartige hohe Frequenzen entstehend beispielsweise durch die Verzahnungsgeräusche in Schiffsgetrieben. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden Störgeräusche, wie beispielsweise Verzahnungsgeräusche des Schiffsgetriebes, mithilfe des Aktor im Kraftpfad zum Schiffsfundament durch frequenzselektive Eliminierung der Anbindungssteifigkeiten entkoppelt und nicht überlagert wie es bei herkömmlichen Systemen geschieht, die nach dem Prinzip der destruktiven Interferenz funktionieren.
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Unter der frequenzselektiven Reduzierung bzw. Eliminierung von Schwingungen und Geräuschen wird verstanden, dass die Schwingungsdämpfungsvorrichtung Schwingungen mit verschiedenen Frequenzen gezielt reduzieren oder sogar eliminieren kann, weil sich die Schwingungsdämpfungsvorrichtung im Sinne einer Regelung an sich verändernde Frequenzen anpassen kann, indem der Aktor entsprechend der von dem Sensor erfassten Schwingungsfrequenzen angesteuert wird.
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Beispielsweise kann ein Aktor nach einem elektromechanischen, elektrodynamischen, elektromagnetischen, piezoelektrischen oder magnetostriktiven Wirkprinzip ausgeführt sein. Auch hydraulische Aktoren sind verwendbar. Vorzugsweise kann ein elektromagnetischer Aktor mit einem Läufer und einem Stator verwendet werden, wobei der Läufer mit dem Schiffsgetriebe und der Stator mit dem Schiffsfundament verbindbar bzw. verbunden ist.
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Die Steuereinrichtung ist vorteilhaft dazu eingerichtet, an dem Aktor eine in Bezug auf die von dem Sensor erfasste Schwingung phasen- und amplitudengleiche Bewegung anzusteuern. Dadurch, dass der Aktor im Kraftpfad zwischen dem Schiffsgetriebe und dem Schiffsfundament angeordnet ist und diese beiden Komponenten miteinander verbindet, führt die phasen- und amplitudengleiche Überlagerung der Bewegung des Aktors mit den erfassten Schwingungen dazu, dass ein bewegliches Element des Aktors der Anregung der Verzahnungsgeräusche des Schiffsgetriebes ausweicht. Folglich wird eine Übertragung der Schwingungen auf das Schiffsfundament verhindert und die Geräuschentwicklung wird signifikant reduziert.
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Das mit dem Schiffsgetriebe verbundene, bewegliche Element des Aktors kann der Bewegung des Schiffsgetriebes ausweichen, indem es denselben Weg zurücklegt wie die Schwingungsbewegung des Getriebes. Das mit dem Schiffsgetriebe verbundene, bewegliche Element des Aktors kann beispielsweise ein Läufer eines elektromagnetischen Aktors sein, wobei ein als Spulenkörper ausgeführter Stator des elektromagnetischen Aktors mit dem Fundament verbunden ist. Im idealen Fall wird die Steifigkeit in der jeweiligen Frequenz zu Null, sodass eine Kraftübertragung auf das Fundament nicht mehr stattfinden kann.
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In einer Ausführung ist der Sensor an dem Schiffsfundament anordenbar. Die getrennte Anordnung des Sensors und des zugeordneten Aktors verbessert die Möglichkeiten Schwingungen auch in mehreren Raumrichtungen zu erfassen und zu kompensieren. Der Sensor kann als Beschleunigungs-, Dehnungs- oder Kraftsensor ausgeführt sein. Der Sensor detektiert die von dem Schiffsgetriebe verursachten und über den Kraftpfad auf das Schiffsfundament übertragenen Schwingungen und überträgt entsprechende Signale und/oder Daten an die Steuereinrichtung.
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Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass jeweils ein Aktor und ein Sensor in verschiedenen Richtungen angeordnet sind. Besonders bevorzugt kann jeweils ein Aktor und ein Sensor in einer von drei zueinander orthogonalen Richtungen ausgerichtet sein. Mithilfe von drei orthogonalen Dimensionen in Aktorik sowie Sensorik können auch rotatorische Schwingungsanregungen bei der Kompensation von Verzahnungsgeräuschen berücksichtigt werden.
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Schließlich umfasst die vorliegende Erfindung einen Schiffsantrieb mit einem Schiffsgetriebe und mit einer Schwingungsdämpfungseinrichtung gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungen.
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Im Folgenden werden die Erfindung und deren Vorteile anhand des in den anliegenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.
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Dabei zeigt die
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schiffsantriebs;
- 2a eine schematische Darstellung einer Schwingungsdämpfungsvorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Prinzip der frequenzselektiven Eliminierung der Steifigkeit;
- 2b eine schematische Darstellung einer Schwingungsdämpfungsvorrichtung nach dem herkömmlichen Prinzip der destruktiven Interferenz und
- 3 eine schematische Darstellung einer Schwingungsdämpfungsvorrichtung in mehreren Raumrichtungen.
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Der in 1 dargestellte Schwingungsdämpfungsvorrichtung 1 wird zur Dämpfung von Schwingungen eingesetzt, die durch das Schiffsgetriebe 2 verursacht werden. Die Schwingungsdämpfungsvorrichtung 1 umfasst vier Sensoren 3, 4, 5, 6 zum Erfassen von Schwingungen, die von dem Schiffsgetriebe 2 verursacht und über mehrere Kraftpfade auf ein Schiffsfundament 12 übertragen werden. Die Schwingungsdämpfungsvorrichtung 1 umfasst ferner vier Aktoren 7, 8, 9, 10 und eine Steuereinrichtung 11 zur Kompensation von Schwingungen.
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Jeder der vier Aktoren 7, 8, 9, 10 ist in jeweils einem Kraftpfad 13, 14, 15, 16 zwischen dem Schiffsgetriebe 2 und dem Schiffsfundament 12 angeordnet. Die Kraftpfade 13, 14, 15, 16 entsprechen konstruktiv jeweils einer Lagerung, an denen sich das Schiffsgetriebe 2 gegenüber dem Schiffsfundament 12 abstützt bzw. von dem Schiffsfundament 12 getragen wird. Die Aktoren 7, 8, 9, 10 können auch baulich in die jeweils zugeordnete Lagerung integriert sein. Jeder Kraftpfad 13, 14, 15, 16 umfasst neben dem jeweils zugeordneten Aktor 7, 8, 9, 10 passive elastische Lagerelemente, deren Steifigkeit sehr hoch sein kann, da die Schwingungen mittels der frequenzselektiven Eliminierung mittels des jeweiligen Aktors 7, 8, 9, 10 gedämpft werden. Die hohe Steifigkeit der passiven Lagerelemente ermöglicht die Aufnahme bzw. Abstützung sehr hoher Kräfte, die sich insbesondere aus der Funktion des Drucklagers an dem Schiffsgetriebe für die Propellerkräfte bzw. Vortriebskräfte des Schiffs ergeben.
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Die Steuereinrichtung 11 ist mit jedem der Sensoren 3, 4, 5 und 6, sowie mit jedem der vier Aktoren 7, 8, 9, 10 signalübertragend verbunden. Die signalübertragenden Verbindungen 17 zwischen der Steuereinrichtung 11 und den Sensoren 3, 4, 5, 6 und den Aktoren 7, 8, 9, 10 kann kabellos oder mittels einer Kabelverbindung realisiert sein. Die signalübertragenden Verbindungen 17 sind in der 1 jeweils als Strichlinien eingezeichnet.
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Die Steuereinrichtung 11 ist dazu eingerichtet die Aktoren 7, 8, 9, 10 in Abhängigkeit der von den Sensoren 3, 4, 5, 6 erfassten Schwingungen so anzusteuern, dass eine Steifigkeit in dem Kraftpfad frequenzselektiv reduziert oder eliminiert wird. Dazu werden die Aktoren 7, 8, 9, 10 von der Steuereinrichtung 11 so angesteuert, dass sie in Bezug auf die von den Sensoren 3, 4, 5, 6 erfassten Schwingungen phasen- und amplitudengleiche Bewegungen generieren, sodass der Aktorweg derselbe ist wie der Weg der Schwingung des Schiffsgetriebes 2.
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Jeder der Sensoren 3, 4, 5, 6 ist jeweils einem Kraftpfad 13, 14, 15, 16 zugeordnet und an einer anderen Stelle an dem Schiffsfundament 12 angeordnet.
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In den 2a und 2b sind zwei Schwingungsdämpfungsvorrichtungen 1, 21 nebeneinander dargestellt, wobei in der 2a eine erfindungsgemäße Schwingungsdämpfungsvorrichtung 1 nach dem Prinzip der frequenzselektiven Eliminierung der Steifigkeit und in der 2b eine Schwingungsdämpfungsvorrichtung 21 nach dem Prinzip der destruktiven Interferenz dargestellt ist.
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In 2a und in 2b ist jeweils ein schwingungserzeugendes Schiffsgetriebe 2, 23 ein Schiffsfundament 12, 22 und ein jeweils dazwischen angeordneter Kraftpfad 13, 25 abgebildet. Im unteren Bereich der 2a und 2b ist jeweils ein Diagramm mit der Überlagerung der jeweiligen vom Schiffsgetriebe verursachten Schwingung 18, 26 und der von einem Aktor 7, 24 generierten Bewegung 19, 27 dargestellt.
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In der 2a ist ein Aktor 7 in dem Kraftpfad 13 zwischen dem Schiffsgetriebe 2 und dem Schiffsfundament 12 angeordnet. Der Aktor 7 generiert eine Bewegung 19, die phasen- und amplitudengleich zu einer von dem Schiffsgetriebe 2 verursachten Schwingung 18 ist. Die resultierende Schwingung 20 an dem Schiffsfundament 12 ist zumindest signifikant reduziert bzw. gedämpft gegenüber der Schwingung 18. Idealerweise ist die resultierende Schwingung 20 gleich Null, da die von dem Aktor 7 generierte Bewegung 19 der Schwingung 18 quasi ausweicht. Auf diese Weise können die Störgeräusche, insbesondere die Verzahnungsgeräusche des Schiffsgetriebes 1, mithilfe des Aktors 7 im Kraftpfad 13 zum Schiffsfundament 12 durch frequenzselektive Eliminierung der Anbindungssteifigkeiten entkoppelt werden.
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In der 2b ist ein Aktor 24 nicht in dem Kraftpfad 25 zwischen dem Schiffsgetriebe 23 und dem Schiffsfundament 22 sondern außerhalb des Kraftpfades 25 an dem Schiffsfundament 22 angeordnet. Der Aktor 7 generiert eine Bewegung 19, die phasenversetzt und genau gegenläufig zu der von dem Schiffsgetriebe 23 verursachten Schwingung 26 ist, wie es insbesondere aus dem Diagramm im unteren Bereich der 2b erkennbar ist. Dies entspricht dem bekannten Prinzip der destruktiven Interferenz. Die resultierende Schwingung 28 an dem Schiffsfundament 22 kann auch in diesem Fall signifikant reduziert bzw. gedämpft werden gegenüber der Schwingung 18 und im Idealfall ist die resultierende Schwingung 28 auch hier gleich Null.
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Die 3 zeigt eine Ausführung einer Schwingungsdämpfungsvorrichtung 1 mit mehreren Aktorelementen 7a, 7b, 7c, die in verschiedene Richtungen ausgerichtet sind. Die drei Aktorelemente 7a, 7b, 7c sind vorliegend in drei zueinander orthogonalen Richtungen ausgerichtet. Die drei Aktorelemente 7a, 7b, 7c können baulich in einem Aktor 7 zusammengefasst sein. In weiteren Ausführungsformen können auch mehrere Sensoren verwendet und in entsprechende Richtungen ausgerichtet werden, um so Schwingungsanteile der von dem Schiffsgetriebe 2 verursachten Schwingungen in verschiedenen Richtungen separat erfassen und durch die in entsprechenden Richtungen ausgerichteten Aktorelemente 7a, 7b, 7c kompensieren zu können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schwingungsdämpfungsvorrichtung
- 2
- Schiffsgetriebe
- 3
- Sensor
- 4
- Sensor
- 5
- Sensor
- 6
- Sensor
- 7
- Aktor
- 7a
- Aktorelement
- 7b
- Aktorelement
- 7c
- Aktorelement
- 8
- Aktor
- 9
- Aktor
- 10
- Aktor
- 11
- Steuereinrichtung
- 12
- Schiffsfundament
- 13
- Kraftpfad
- 14
- Kraftpfad
- 15
- Kraftpfad
- 16
- Kraftpfad
- 17
- Verbindungen
- 18
- Schwingung
- 19
- Bewegung
- 20
- resultierende Schwingung
- 21
- Schwingungsdämpfungsvorrichtung
- 22
- Schiffsfundament
- 23
- Schiffsgetriebe
- 24
- Aktor
- 25
- Kraftpfad
- 26
- Schwingung
- 27
- Bewegung
- 28
- resultierende Schwingung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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