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Schwenkeinrichtung für einen Ruderpropeller oder Z-Trieb
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwenkeinrichtung mit zwei Arbeitsbereichen
für einen am Heck eines Wasserfahrzeugs angebrachten Ruderpropeller oder Z-Trieb.
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Ruderpropeller oder Z-Triebe müssen um eine im wesentlichen horizontale
Achse schwenkbar sein, und zwar um ihn, z.B. für Wartungsarbeiten aus dem Wasser
herausklappen zu können, oder zum Zwecke des Trimmens. (Unter Trimmen wird ein Schwenken
des Propellers verstanden, um diesen bei verschiedeen Nelgungen um eine horizontale
Querachse des Wasserfahrzeuges optimal einzustellen.) Hierfür werden in der Regel
seitlich am Ruderpropeller oder Z-Trieb Hydraulikzylinder gelenkig angeordnet, die
sich über ihre Kolbenstange am Wasserfahrzeug gelenkig abstützen.
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Wird der Kolben mit dem Druckmittel beaufschlagt und die Kolbenstange
ausgefahren, so wird der Ruderpropeller oder Z-Trieb hochgeschwenkt. Bei entsprechender
Anordnung des Zylinders wird dabei die Kolbenstange in jeder Stellung im wesentlichen
auf Druck beansprucht.
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Neuerdings sind auch Ruderpropeller oder Z-Triebe bekannt (DE-OS 26
12 564), in oder an denen der oder die Hydraulikzylin der fest, d.h. unbeweglich,
angeordnet ist. Hier ist zur Abstützung der Kolbenstange am nicht zu schwenkenden
Teil des Fahrzeugs oder der Maschine eine Kulisse oder ein Lenkerhebel erforderlich,
da der Angriffspunkt während der Schwenkbewegung ständig seine Lage ändert. Aus
dieser Kinematik resultieren
jedecil allf die Kolbenstange wirkende
Seitenkräfte, die zu Betriebsstörungen führen können (Verbiegen der Kolbenstange,
Verschleiß der Führungen usw.).
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese die Kolbenstangen
und Führungselemente belastenden Seitenkräfte so gering und so ausgeglichen wie
möglich zu halten.
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Bei Schwenkeinrichtungen mit einem Arbeitsbereich ist es z.B. von
der DE-OS 23 61 093 her bekannt, den Anlenkpunkt des Lenkerhebels an einem festen
Teil auf die Winkelhalbierende des Schwenkbereiches zu legen. Diese Anordnung wird
zur Lösung der Aufgabe zunächst dahingehend erweitert, daß entsprechend dem Vorhandensein
von zwei Schwenkbereichen der Anlenkpunkt in den Schnittpunkt der beiden Winkelhalbierenden
der zwei Schwenkbereiche gelegt wird (Anspruch 1). Für die im Endpunkt der Kolbenstange
angreifende Seitenkraft N ist so die gestellte Aufgabe gelöst.
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Um nicht nur die Seitenkräfte, sondern auch die auf die Gleitbahn
wirkende Kraft F oder/und die in der Kolbenstange auftretende Biegespannung gb möglichst
gering zu halten, wird die Erfindung vorteilhafterweise nach den Ansprüchen 2, 3
und 4 weitergebildet. Für die Kraft F und die Biegespannung Gb ist nämlich mit maßgebend,
wieweit die Kolbenstange ausgefahren ist. Dieser Überstand steigt mit zunehmendem
Hubwinkel. Außerdem - und das ist bei Schwenkeinrichtungen für Ruderpropeller und
Z-Triebe ganz besonders wichtig - muß die Tatsache berücksichtigt werden, daß die
Kolbenstange in den beiden Schwenkbereichen von jeweils sehr unterschiedlichen Kräften
belastet wird: der erste Bereich wird hauptsächlich beim Trimmen durchfahren, wobei
hohe, vom
Propellerschub herrührende Stützkrfifte auftreten, und
der zweite Bereich wird lediglich während des Aus-dem-Wasser-Kippens bernitzt, wobei
nur die vom Eigengewicht des Ruderpropellers oder Z-Trie,Y herrührenden Kräfte auftreten.
Letztere sind im Vergleich zu den vom Propellerschub bewirkten Kräften verhältnismänig
klein: als Anhaltswert kann ein Verhältnis von rund 1:10 angenommen werden.
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Nach der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen, den Anlenkpunkt vom
Schnittpunkt der Winkelhalbierenden weg so zu verschieben, daß die vorstehend genannten
Einflüsse möglichst weitgehend kompensiert werden.
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Die Erfindung wird anhand eines in den Figuren 1 bis 3 gezeigten
Ausführungsbeispiels beschrieben, wobei weitere Merkmale der Erfindung aufgezeigt
werden.
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Fig. 1 zeigt vereinfacht die Anordnung einer Schwenkeinrichtung nach
der Erfindung als Ausführungsbeispiel an einem Ruderpropeller.
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Fig. 2 zeigt ein Schema der Kinematik in verschiedenen Stellungen.
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Fig. 3 zeigt ein Diagramm der auftretenden Kräfte.
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Am eck eines Wasserfahrzeugs 1 ist ein Ruderpropeller 2 zum Antrieb
und Steuern des Wasserfahrzeugs auf eine bekannte Weise und mit bekannten Mitteln
befestigt. Die Antriebsmaschine, ein Motor, ist im Rumpf des Schiffes montiert und
nicht gezeichnet.
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Die Leistung des Motors wird über bekannte und daher ebenfalls nicht
gezeichnete Übertragungselemente auf den Propeller 3 über tragen. Auf die erwähnten
Befestigungsmittel und Übertragungs elemente braucht, da sie nicht Gegenstand der
Erfindung sind,
nicht im Einzelnen eingegangen Ztl werden, ebensowenig
auf tIi'.
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zum Steuern des Wasserfahrzeugs notwendigen Einrichtungen an besagtem
Ruderpropeller.
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Um eine horizontale Achse 5, die aus Bolzen o.dgl. gebildet ist, die
ihrerseits in dem zum Wasserfahrzeug 1 gehörenden Teil 6 gelagert sind und auf denen
wiederum das Gehäuse 4 gelagert ist, kann der Ruderpropeller 2 aus dem Wasser gekippt
werden oder der Propeller 3 kann um diese horizontale Achse zum Zwecke des Trimmens
geschwenkt werden. Zum Antrieb der Kippbewegung um die Achse 5 sind nebeneinander
zwei Hubzylinder 10 vorgesehen. In jedem Hubzylinder ist ein Kolben 11 geführt.
Die Kolbenstangen 12 der beiden Hubzylinder sind an ihrem freien Ende mittels Stangenköpfen
13 durch eine Achse 14 verbunden. Die Achse ist zweckmäßigerweise in den Stangenköpfen
mit sphärischen Lagern gelagert, um Verklemmungen zu vermeiden. Auf der ,Achse ist
ein Lenkerhebel 15 drehbar gelagert. Das andere Ende des Lenkerhebels ist - ebenfalls
drehbar - durch eine Achse 16 in der zum Wasserfahrzeug gehörenden Gabel 17 aufgenommen.
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Es ist offensichtlich, daß bei dieser Kinematik eine Seitenkraft N
auf die Kolbenstange wirkt, die in ihrer Große von der jeweiligen Stellung des Kolbens
zum Anlenkpunkt 20 abhängig ist.
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Im Verlauf der Schwenkbewegung bleibt die Kolbenstange nur dann frei
von Seitenkräften, wenn ihre Achse durch den Punkt 20 geht.
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Der Anlenkpunkt 20 müßte also so liegen, daß im Verlauf der Schwenkbewegung
die Achse der Kolbenstange so oft wie möglich durch den Punkt 20 geht. Im gesamten
Schwenkbereich des beschriebenen Anwendungsbeispieles, der durch den Schwenkwinkel
X
ausgedrückt ist, ist dies maximal zweimal möglich.
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Es ist aber auch zu berücksichtigen, daß sich der Schwenkwinkel im
Ausführungsbeispiel aus zwei Teilbereichen «1 und«2 zusammen~ setzt: der Bereich
«1 wird vorwiegend beim Trimmen durchfahren, während der Bereich«2 lediglich während
des Aus-dem-Wasser-Kippens benutzt wird. Um die auf die Kolbenstange 12 und in der
Stangenführung 9 wirkenden Kräfte N, F so gering wie möglich zu halten1 wird in
erster Näherung davon ausgegangen, daß der optimale Anlenkpunkt 20 auf dem Schnittpunkt
der Winkelhalbierenden Wl, W2 derjenigen Winkel liegt, die durch die Lage der Achse
der Kolbenstange zu Beginn und am Ende der jeweiligen Teilbereiche cli und «2 gegeben
sind0 Für die im Endpunkt 21 der Kolbenstange angreifende Seitenkraft N trifft diese
Überlegung voll zu.
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Von großer Bedeutung ist die Tatsache, daß im Bereich 119 also beim
Trimmen, hohe, vom Propellerschub herrührende Stützkräfte auftreten, während im
Bereich «2 also beim Aus-dem-Wasser-Kippen, nur verhältnismäßig kleine, vom Eigengewicht
des Ruderpropellers herrührende Kräfte auftreten. Die die Stangenführung auf Flächenpressung
und die Kolbenstange auf Biegung beanspruchende Kraft hängt jedoch außerdem noch
vom Überstand a ab, d.h.
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davon, wie weit die Kolbenstange ausgefahren ist. Dieser Überstand
steigt-mit zunehmendem Hubwinkel oktan. Daraus folgt, daß die optimale Lage des
Punktes 20 aus dem o.a. Schnittpunkt der Winkelhalbierenden näher zur Kolbenstangenlage
am Ende des Schwenkbereiches herausgerückt werden muß, um den ungünstigen Einfluß
des Überstandes zu kompensieren. Diese optimale Lage muß durch Iteration ermittelt
werden und ist dann erreicht, wenn Biegespannung und Flächenpressung am Beginn und
am Ende jedes
der beiden Schwenkbereiche jeweils gleich groß sind.
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Neben dem Schwenkwinkel « und dem Überhang a bestehen noch weitere
Parameter, die auf die Lage des Schwenkpunktes 20 Einfluß neIe: Die Länge h des
Lenkerhebels 13 beeinflußt unmittelbar die Seitenkraft N, die Stützkraft F und die
Biegespannung fb in der Kolbenstange, die Länge k der Kolbenstange 10 beeinflußt
über den Überhang a das Verhältnis der Seitenkraft N im Punkt 21 zur Stützkraft
F in der Stangenführung, und der Radius r des Rolikreises 22 beeinflußt die absolute
Größe der gesamten Kinematik.
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Durch entsprechende Wahl des Anfangswinkels ß wird die Lage der gesamten
Kinematik zur Schwenkachse 5 ebenso festgelegt wie die Lage des Anlenkpunktes 20
zum zu schwenkenden Aggregat. Durch Ändern von ß werden sowohl die Größtwerte von
N und F wie auch die Lage der Null-Durchgänge verändert.
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In Fig. 3 sind die maßgebenden Größen Seitenkraft N, Stützkraft F
und Biegespannung Gb einer optimierten Kinematik für das Ausführungsbeispiel "Schwenkeinrichtung
für einen Ruderpropeller" aufgezeichnet. Der Trimmbereich erstreckt sich von X bis
X1 0 (entspricht M1)- Es wurde die eingangs gestellte Forderung nach gleichen Maximalwerten
zu Beginn und am Ende eines Bereiches für die Stützkraft F verwirklicht. Der Verlauf
der Biegespannung läßt sich dieser Forderung nicht gleichzeitig exakt anpassen,
jedoch kann durch geeignete Wahl des Stangenquerschnittes auf bekannte Art und Weise
den Festigkeitsbedingungen des Stangenmaterials entsprochen werden, d.h. daß das
maximale auftretende Biegemoment nicht größer ist als das zulässige Biegemoment.
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Auch die Seitenkraft N ist am Anfang und Ende des Hubbereiches
nicht
genau gleich, aber annähernd gleich. Natürlich läßt sich auch eine Kinematik ermitteln,
bei der die Forderung nach gleichen Maximalwerten zu Beginn und am Ende eines Bereiches
für die Bics,tspexlLnung exakt erfüllt ist und für die Kräfte N und F nur annähernd.
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Im Aushebebereich X1 bis X4 (entspricht « 2) wo aus den oben beschriebenen
Gründen geringere Kräfte auftreten, wird im Winkelbereich X2 bis X3 für alle 3 Werte
ein Maximum durchschritten.
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Nach einer Verringerung bis auf den Wert Null steigen alle 3 Werte
gegen Ende des Hubbereiches wieder an. Auch hier ist die Fordcru nach gleichen maximalen
Stützkräften annähernd verwirklicht. Die beiden anderen Werte folgen wieder ihrer
Eigengesetzlichkeit.
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Es versteht sich von selbst, daß die Beschreibung des Ausführungsbeispieles
sinngemäß auch für andere Anwendungsfälle Gültigkeit hat. So können statt der beschriebenen
Aggregate z.T. andere verwendet werden, z.B. gelten die für Hydraulikzylinder gemachten
Angaben sinngemäß auch für Pneumatikzylinder oder für Zahnstangentriebe.
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Begriffsliste 1 Wasserfahrzeug α = Schwenkwinkel gesamt 2 Ruderpropeller
α1 = Schwenkwinkel, 1. Bereich 3 Propeller α2 = Schwenkwinkel, 2. Bereich
4 Gehäuse #b = Biegespannung in 12 5 horizontale Achse ß = Ausgangswinkel 6 Heckteil
des Wasserfahrzeugs 7 8 9 Stangenführung 10 Hubzylinder 11 Kolben 12 Kolbenstange
13 Stangenkopf 14 Achse 15 Lenkerhebel 16 Achse 17 Gabel 18 19 20 Anlenkpunkt (auf
Achse von 16) 21 Anlenkpunkt (auf Achse von 14) 22 Rollkreis N = Seitenkraft F r
Stützkraft 1 - Winkelhalbierende von W2 - Winkelhalbierende von α2 Xo... X4
= Punkte im Verlauf der Schwenkbewegung a = freier Überhang von 12 h n Länge von
15 k X Länge von 12