DE1034055B - Schlingerdaempfungsanlage fuer Schiffe - Google Patents

Description

• Schlingerdämpfungsanlage für Schiffe Die Erfindung betrifft eine Schlingerdämpfungsanlage für Schiffe, bei welcher als Stabilisierungsmasse ein oder mehrere Laufwagen dienen, die mittels eigener Triebzahnrad-Antriebseinheiten auf je zwei Laufschienen und entlang im Schiff befestigten Zahnstangen hin- und herbewegbar sind.
• An solchen Anlagen werden hohe Anforderungen bezüglich raschester und äußerst energischer Ansprechbarkeit der Stabilisiermasse sowie großer Betriebssicherheit gestellt. Dies trifft besonders für Anlagen zu, bei welchen, wie z. B. nach der deutschen Patentschrift 881452, nicht nur mit der Verschiebung der Stabilisiermasse allein, sondern auch mit den zum Verschieben des Laufwagens aufzuwendenden Beschleunigungs- und Verzögerungskräften gearbeitet wird. Da diese Massenkräfte zeitweise sehr groß werden, ist darauf Bedacht zu nehmen, daß die an den Trag- und Triebzahnrädern auftretenden Entlastungen kein Anheben oder seitliches Ausweichen des Laufwagens verursachen können.
• Nach einer weiteren Forderung für solche Anlagen muß der zwischen den Bordwänden verfügbare Abstand möglichst ungeschmälert als Laufstrecke zur Verfügung stehen. Deshalb soll der Wagen in seiner Laufrichtung kurz und mit geringem Radstand gebaut werden, was sich aber im allgemeinen ungünstig auf die erwähnten Entlastungsverhältnisse auswirkt.
• Bei einer bekannten Stabilisieranlage der beschriebenen Gattung ist das Fahrgestell des Laufwagens in der bei Schienentriebfahrzeugen für Zahnradbahnen üblichen Art ausgebildet, indem die Antriebsmotoren und Getriebe an der Unterseite des Fahrgestellrahmens, alle übrigen größeren Ausrüstungsteile auf seiner Oberseite angeordnet sind und das Triebzahnrad auf eine in Gleismitte befindliche Zahnstange arbeitet. Mit dieser Gesamtanordnung ist es kaum möglich, die erwähnten Sicherheitsbedingungen einzuhalten, denn die Resultierende der Massenkräfte wird in jedem Fall in beträchtlicher Höhe über der Zahnstange angreifen und somit starke Kippmomente hervorrufen. Dies um so mehr, als der Radstand, dem vorgenannten zweiten Erfordernis entsprechend, bei der bekannten Anlage verhältnismäßig kurz gewählt ist.
• Bei einer anderen bekannten Stabilisieranlage ist die Zahnstange nicht mehr in Gleismitte, sondern seitlich gegen die eine Tragschiene zu angeordnet. Ferner ragt hier eines der Getriebezahnräder in den unterhalb der Zahnstangeneingriffsebene liegenden Raum. Wenn zwar diese Konstruktion auch bereits erst Ansätze zeigt, von der bei Zahnradbahnen üblichen Gesamtanordnung abzugehen, weist sie andererseits doch den schwerwiegenden Nachteil auf, daß zufolge der seitlich versetzten Lage der einzigen Zahnstange Momente der Anfahr- und Verzögerungskräfte auftreten, die den Laufwagen um eine Vertikalachse verdrehen wollen. Sie verursachen zusätzliche und stoßartig auftretende Spurkranzdrücke an den Tragrädern und bringen damit eine neue Entgleisungsgefahr mit sich.
• Ferner ist bei den erwähnten bekannten Anlagen die Leistungsfähigkeit durch die Belastungsmöglichkeit einer einzigen Zahnstange beschränkt, und man ist dann genötigt, die Zahl der verhältnismäßig kleinen Einheiten zu vermehren, wenn größere Leistungen erzielt werden sollen.
• Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die für Zahnradbahnen übliche Vorschrift, wonach keine Fahrzeugteile unter eine bestimmte Höhenebene ragen dürfen; zu verwerfen und demgegenüber die freie Gestaltungsmöglichkeit des Schiffsbodens zu einer systematischen Tieferlegung wesentlicher Teile des Laufwagens auszunutzen, wobei aber auch die anderen Nachteile der erwähnten bekannten Anlagen vermieden werden sollen.
• Zur Verwirklichung dieses Gedankens besteht die Erfindung darin, daß jedem Laufwagen zwei zwischen den beiden Laufschienen angeordnete Zahnstangen zugeordnet sind, auf welche je wenigstens ein Triebzahnrad arbeitet, wobei zwecks Senkens des Laufwagenschwerpunktes wesentliche Teile des Laufwagens in den zwischen den Zahnstangen befindlichen freien Raum weit unter die waagerechte Zahnstangeneingriffsebene herunterragen. Auf diese Weise kann nicht nur die Betriebssicherheit der Anlage verbessert, sondern auch ihre Leistungsfähigkeit wesentlich erhöht, im allgemeinen etwa verdoppelt werden: Zweckmäßigerweise werden die einzelnen Massen des Laufwagens in solche Höhenlagen verlegt, daß der Schwerpunkt des Laufwagens etwa auf die Höhe der waagerechten Zahnstangeneingriffsebene zu liegen kommt. Die zum Beschleunigen und Verzögern des Laufwagens erforderlichen Massenkräfte vermögen dann keine oder nur sehr geringe Kippmomente auszuüben. Hinsichtlich der baulichen Ausgestaltung des Laufwagens ist es von Vorteil, dessen Rahmen wannenförmig auszubilden, das heruntergezogene Mittelstück im Raum zwischen den Zahnstangen unterzubringen und alle Antriebsteile auf oder zwischen den Rahmenlängsträgern anzuordnen.
• In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigen Fig. 1 bis 3 den Aufriß, Grundriß und Seitenriß eines an Locherschen Zahnstangen arbeitenden Laufwagens, Fig. 4 bis 6 den Aufriß, Grundriß und Seitenriß eines an Abtschen Zahnstangen arbeitenden Laufwagens, Fig. 7 und 8 Varianten, die sich auf die Vereinigung von Zahnstange und Laufschiene beziehen.
• Das erste Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 beruht auf der Verwendung von Zahnstangen nach dem System Locher, bei welchem bekanntlich zu beiden Seiten des Zahnstangenkopfes eine Zahnreihe vorhanden ist und die in diese eingreifenden Triebzahnräder vertikalachsig stehen. Der als Stabilisierungsmasse dienende Laufwagen stützt sich mit vier Tragrädern 1 auf zwei in großem Abstand voneinander angeordnete und auf zwei Querspanten 2a des Schiffes gesetzte Trag- oder Laufschienen 2. Innenseitig daneben und etwa auf gleicher Höhe liegen die beiden Locherzahnstangen 4, die an zwei Querspanten 4a befestigt sind. Der die Antriebsvorrichtung tragende Rahmen 3 ist wannenförmig ausgebildet, und das heruntergezogene Mittelstück 3a liegt zwischen den beiden Locherzahnstangen 4. Der Wannenteil 3a reicht dabei um den Betrag h unter die Höhe der Zahnstangeneingriffsebene E herab.
• Es sind zwei in Schiffslängsrichtung nebeneinanderliegende Antriebseinheiten vorgesehen. Zu jeder Einheit gehört ein Elektromotor 5, der auf dem Wannenteil 3a befestigt ist, sowie ein durch eine Kupplung 6 mit dem Motor 5 verbundenes Zahnradgetriebe 7. Dieses ist in Fig. 1 für den linksseitigen Antrieb im Mittellängsschnitt dargestellt. Das Motordrehmoment wird darin zunächst auf ein Kegelgetriebe 8, 9, dann über das Stirnritzel 10 auf die vertikalachsigen Zahnräder 11 der Triebachsen 12 übertragen. Auf der Unterseite des Getriebes und außerhalb des Getriebegehäuses 13 sind die beiden Triebzahnräd°r 14 angeordnet, welche in die nach beiden Querseiten ragenden Zahnreihen der Locherzahnstange 4 eingreifen. Die Triebzahnräder 14 sind in bekannter und nicht näher dargestellter Art mit Zahnkränzen versehen, die von den Naben getrennt und mit ihnen durch ein System von Federn drehelastisch verbunden sind. 2Iit dieser Maßnahme ist ein wenigstens annähernder Ausgleich der Zahndrücke der beiden in dieselbe Zahnstange eingreifenden Triebzahnräder 14 gewährleistet. Um mit den beiden Antriebseinheiten gleiche Verschiebegeschwindigkeiten zu erreichen, sind sie durch eine in Drehrichtung möglichst starre Kupplung 15 miteinander gekuppelt. Ferner ist jede Einheit mit zwei Bremsen ausgerüstet, deren Trommeln 16 auf die beiden Antriebsachsen 12 aufgesetzt sind.
• Die vier Tragräder 1 können gefedert im Laufwagenrahmen 3 gelagert sein, wobei die beim Wagenlauf auftretenden kleinen Vertikalschwankungen keine Veränderung des Spieles zwischen den Zähnen der Zahnstangen 4 und der Triebzahnräder 14 verursachen.
• Im Querschnittsbild von Fig. 3 ist der Schwerpunkt S des Laufwagens eingetragen. Man erkennt, daß dieser dank des tiefliegenden, mittleren Rahmenteils 3a und des zwischen seinen Längsträgern eingebrachten Ballastes 17 i nur um den Abstand s über der mittleren Zahnstangeneingriffsebene E liegt. Die von den Beschleunigungs- und Bremskräften B herrührenden Kippmomente 31 = B - s und die entsprechenden Entlastungen der Laufdrücke fallen dementsprechend gering aus. Dem zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 4 bis 6) liegen Zahnstangen 20 nach dem System Abt zugrunde. Zu einer Zahnstange gehören hier zwei an derselben Fußschiene befestigte Lamellen, deren nach oben ragende Zahnreihen je um eine halbe Teilung gegeneinander versetzt sind. Wie im ersten Ausführungsbeispiel ruht der die beiden Antriebseinheiten tragende Laufwagen auf vier Tragrädern 1, und der Rahmen 3 ist zwischen den Zahnstangen 20 wannenförmig herabgezogen (3a), um eine tiefe Schwerpunktlage des Ganzen zu ermöglichen. Die Zahnradgetriebe sind aber als doppelte Stirnradgetriebe gebaut. Die erste Übersetzung besteht aus den Rädern 21, 22, die zweite aus den Rädern 23, 24. Die Doppeltrebzahnräder 25 sind ebenfalls direkt in den Zahnradgehäusen 13 gelagert. Auf ihrer Außenseite sind sie mit einer Bremstrommel 26 ausgerüstet.
• Der Schwerpunkt S des Ganzen liegt auch hier etwa in Höhe der Zahnstangeneingriffsebene E. Eine weitere einfache Möglichkeit, die Motoren verhältnismäßig tief zu verlegen, bestünde z. B. darin, die Eingangs- und Ausgangstriebwelle nicht auf gleicher Höhe, sondern die Ausgangswelle 28 höher als die Eingangswelle 27 anzuordnen.
• Bei beiden Ausführungsbeispielen ergibt sich dank der tiefen Lage des mittleren Rahmenteils 3a eine sehr einfache Abstützung der Motoren. Auch die Zahnrad-Betriebe können gut zwischen den Längsträgern der Rahmenenden befestigt werden. Sie sind von oben her zugänglich und kontrollierbar. Es müssen somit keine Antriebsteile auf der unteren Seite des Fahrgestellrahmens angebracht werden, wie dies z. B. bei der Anlage der eingangs erwähnten deutschen Patentschrift 881452 der Fall ist.
• Dank des Umstandes, daß die Antriebsmotoren 5 quer zur Verschieberichtung und in gegenseitiger axialer Fortsetzung zueinander angeordnet sind, kann der Laufwagen in Verschieberichtung kurz gebaut und somit der zwischen den Bordwänden zur Verfügung stehende Raum möglichst vollständig als Laufstrecke ausgenützt werden. Vorteilhaft wirkt sich auch die Tragkonstruktion 2a, 4a der Laufschienen und Zahnstangen aus, da sie zufolge ihrer vergrößerten Höhe eine durchaus wünschenswerte Querspantenversteifung des Schiffskörpers bildet.
• Im Sinne einer baulichen Vereinfachung und einer weiteren Verselbständigung gegenüber Zahnradbahnanlagen können unter Umständen die beiden Zahnstangen je mit der daneben liegenden Laufschiene vereinigt werden, wie dies in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist. Nicht nur verringert sich dabei der Aufwand an Bauelementen und Verlegungsarbeiten, sondern es läßt sich außerdem die gegenseitige Lage von Laufschiene und Zahnstange genauer einhalten.
• An Hand des nachstehenden Berechnungsbeispieles zu einer Stabilisiervorrichtung für Locherzahnstangen sei der Einfluß der Bewegungskräfte auf die Aufstandsdrücke näher gezeigt. Es betrage das Gewicht des voll ausgerüsteten Laufwagens 25 t, das Massenträgheitsmoment bzw. das Schwungmoment GDZ der Rotoren der Antriebsmotoren je 62 kgm2, die Untersetzung der Zahnrad-Betriebe i = 6,0, und der Schwerpunkt S des Laufwagens liege um einen Betrag s = 0,08 m über der waagerechten Eingriffsebene der Zahnstangen. Mit den weiteren An-' nahmen Triebzahnraddurchmesser d = 0,460 m und Radstand a = 2,0 m ergeben sich dann folgende Werte: Bewegungskräfte B, unter Annahme einer maximalen Beschleunigung oder Verzögerung des Laufwagens von p = 8 m%sec2: maßgebend für die Entlastung Q der vorderen bzw. hinteren Laufräder: 1. durch die Bewegungskräfte, die an den Zahnstangen wirken: 2. Durch die freien Rotationsbeschleunigungen der rotierenden Massen, nach dem Prinzip von d'Alembert: freie Beschleunigungsmomente Mf == 19 # p", wobei p ' die Winkelbeschleunigung der Motorwellen bedeutet und sich errechnet zu Mit wird somit das freie Beschleunigungsmoment Da die Motoren im gleichen Drehsinn wie die Triebzahnräder laufen, wirkt sich dieses zusätzliche Entlastungsmoment ebenfalls im selben Sinn aus, so daß eine zusätzliche Laufräderentlastung von eintritt, oder per Laufrad Die Summe der Entlastungen stellt sich somit per Laufrad auf Dank des Umstandes, daß die waagerechten gerichteten Locherzahnreihen keine vertikalen Reaktionen auf den Laufwagen ausüben können und der Schwerpunkt nahe der Zahnstange liegt, ergibt sich die sehr hohe Sicherheit gegen vollständige Entlastung der Laufräder von Dem Berechnungsbeispiel der Stabilisiervorrichtung für Abtsche Zahnstangen gemäß den Fig. 4 bis 6 seien gleiche Daten bezüglich Laufwagengewicht, Rotor-Massenträgheitsmoment und Beschleunigung zugrunde gelegt, während der Teilkreisdurchmesser d der Triebzahnräder 0,650 m und das dementsprechende größere Untersetzungsverhältnis i = 8,5 betrage. Die Bewegungskräfte sowie die d'Alembertschen . freien Rotationsbeschleunigungen. nehmen dann gleiche Werte an. Hingegen tritt hier durch die geneigten Zahnflanken der Zahnstangen eine nach oben gerichtete Komponente Q$ des Zahndruckes Bz auf, die auf den Laufwagen entlastend wirkt. Mit der üblichen Flankenneigung von tga - = 0,25 und unter Annahme einer Reibungsziffer von tgo = 0,15 wird die maximale Entlastung Q3 = Bz - tg (a + e) = 20400 - 0,414 = 8460 kg oder per Laufrad Um weitere, zusätzliche Entlastungen durch Kippmomente zu vermeiden, soll der Schwerpunkt des Laufwagens um einen solchen Betrag s unter die Zahnstangeneingriffsebene E verlegt werden, daß sich das von den freien Rotationsbeschleunigungen herrührende Kippmoment Mf (d'Alembertsches Moment) mit dem Kippmoment der an den Zahnstangen wirkenden Beschleunigungskräften ausgleicht, woraus sich die Beziehung ergibt: Mit diesen Dispositionen bleibt es bei der oben errechneten Entlastung durch die Zahnschrägen, was einer Sicherheit gegen vollständige Entlastung von entspricht. Mit diesem Sicherheitsgrad besteht noch volle Gewähr gegen Abheben der Laufräder und Triebzahnräder, denn bekanntlich werden für Fahrzeuge von Zahnradbahnen bedeutend niedrigere Sicherheitsziffern zugelassen.
• In den vorstehenden Berechnungsbeispielen sind verschiedene vereinfachende Annahmen gemacht, um nur das Wesentliche zum Ausdruck zu bringen. So sind die Laufwiderstände des Wagens, die Reibungswiderstände des Getriebes und der rotationsdynamische Einfluß der Getriebemassen vernachlässigt.

Claims (1)

1. PATENTANSPRITCHE: 1. Schlingerdämpfungsanlage für Schiffe, bei welcher als Stabilisierungsmasse ein oder mehrere Laufwagen dienen, die mittels eigener Triebzahnrad-Antriebseinheiten auf je zwei Laufschienen, und entlang im Schiff befestigten Zahnstangen hin- und herbewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Laufwagen zwei zwischen den beiden Laufschienen (2) angeordnete Zahnstangen (4,20) zugeordnet sind, auf welche je wenigstens ein Triebzahnrad (14, 25) arbeitet, wobei zwecks Senkens des Laufwagenschwerpunktes wesentliche Teile des Laufwagens in den zwischen den Zahnstangen (4,20) befindlichen freien Raum weit unter die waagerechte Zahnstangeneineriffsebene (E) herunterragrn. 2. Stabilisiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt (S) des Laufwagens etwa auf der Höhe der waagerechten Zahnstangeneingriffsebene (E) liegt. 3. Stabilisiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Antriebsvorrichtung tragende Rahmen (3) des Laufwagens wannenförmig ausgebildet ist und daß das heruntergezogene Mittelstück (3a) des Rahmens zwischen den Zahnstangen (4, 20) liegt. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 695 586.