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ROHRWELLE FÜR SCHIFFS-WELLENLEITCNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft den Schiffbau, ins besondere Rohrwellen
für Schiffs-Wellenleitungen.
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Die Erfindung ist zweckmäßig für Schrauben- un Zwischenwellen im
Schiffs-Wellenleitungsstraßen anzuwenden.
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dort Die Erfindung kann auch im Maschinenbau Verwendung finden, wo
es erforderlich ist, die Übertragung eines großen Drehmomentes vom Triebwerk auf
ein Stellzeug zu gewährleisten, wobei ein geringes Gewicht der Wellenleitung eingehalten
werden soll.
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Es sind bekannt und werden weitgehend angewandt ohrwellen für Schif£s-Iellenleitungen,
die aus Schmiedestücken durch Ausbohrung des Zentralteiles hergestellt werden. Der
Nachteil einer solchen Konstruktion besteht im großen Arbeitsaufwand fur die Herstellung
auf einer Sonderausrüstung und im geringen Werkstoff-Nutzungsfakton Es sind Rohrwellen
bekannt, die aus einem Rohr mit an diesem geschweißten Endteilen ausgeführt sind,
z.B. Flanschen
oder kegelförmigen Schaftteilen zum Aufsetzen einer
Schiffsschraube und Kupplungshälfte. Der Mangel solcher Wellen besteht darin, daß
sie nicht imstande sind ein großes Drehnoment zu übertragen, da beim zur Zeit erreichten
technischen Stand ein Rohr der erforderlichen Dicke und Festigkeit nicht genalzt
oder gezogen vierden kann.
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Es sind Wellen für Schiffs-Wellenleitungen bekannt, v;elche in Gestalt
einer mehrschichtigen Hülle ausgeführt werden, die aus koaxial angeordneten Rohren
verschiedener Durchmesser und Längen zusammengesetzt ist.
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Zur Verbindung der Rohre in eine einheitliche Konstruktion enthält
die Welle endteile, in denen stufenmäßig angeordnete Ringausdrehungen nach dem Durchmesser
eines jeden Rohres ausgefijirt sind.
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Die Endteile der Rohre sind kegelförmig gedreht und greifen in Ausdrehungen
der Wellenendteile, die das entsprechende Profil aufx7eisen. Im endteil der Welle
ist ein stufenartiger Innenhohlraum vorhanden, der durch einen Blindflansch mit
Gewindeöffnung abgeschlossen wird. Nach dem Zusammenbau mit den Rohren werden die
stufenartigen Innenhohlräume der Endteile mit Asphalt unter Druck gefüllt, der durch
eine in den Blindflansch eingeschraubte Schfaube erzeugt wird. Die Wände des endteils
werden unter der Druckeinwirkung verformt, wodurch ein dichter Sitz der Stohrendteilc
in den Ausirehungen des endteils gesichert wird. Zur Verringerung von Torsionsschwingungen
werden die Räume zwischen den hohren mit elastischem Silikonharz ausgefüllt,
Das
gleichzeitige einpressen der kegelförmigen Rohrenden bei der erzeugung von Druck
im Endteil der :;elle ermöglicht es nicht, die Güte der befestigung des Lndes eines
jeden Rohres nacheinander zu prüfen, wodurch die Zuverläsausreichend sigkeit der
Konstruktion nicht gewährleistet wird.
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Außerden ist die Bildung eines Innenhohlraumes im £ndteil im Falle
der Herstellung einer Schraubenwelle erschwert, die ein kegelförmiges Ende zum Aufsetzen
der Schiffsschraube aufweist.
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Es sind Wellen für Schiffs-Wellenleitungen bekannt, die aus koaxial
angeordneten, verschiedene Durchmesser und Längen aufweisenden bohren bestehen,
die auf die Endteile der Welle gesetzt und an diese geschweißt v:erden.
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In diesen Falle haben die Wellenendteile zylinderförmige stufenartige
Ausdrehungen, die dem Innendurchmesser der Rohre entsprechen. Die Rohre werden nacheinander
an die Wellenendteile gesch.:eißt: zuerst die Innenrohre und danach die ßußenrohre.
Um das Schweißen der ihre an den z:Jeiten Endteil der Wellen nach dem Schweißen
an die .;elle des Innenrohres zu ermöglichen, wird jedes Außenrohr nacheinander
durch Anschweißung von Einsätzen aus zei Halbstücken verlängert.
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Zur Verringerung der Torsionsschwingungen wird der Raum zwischen
den Rohren mit Silikonharz oder Kunststoff aus gefüllt.
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Der Mangel dieser Wellen besteht in der großen Anzahl von Schweißnähten,
die eine sukzessive Kontrolle und Wärmebehandlung
zur Entspannung
erfordern. Das Ausfüllen der Innenhohlräume durch kalt erhärtenden Kunststoff oder
Harz ist nach dem Anschweißen der Bohrt erschwert, die aufeinanderfolgende Ausfüllung
der Hohlräume aber wird durch die Anwärmung während der Schweißung und der ;;ärmebehandlung
der Außenrohr behindert.
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Und da die Tangentialspannungen vom Drehmoment sich proportional
dem Halbmesser verteilen, wird die Hauptbelastung vom Drehmoment bei den Rohrwellen
durch die Außenrohr; aufgenommen, die Innenrohre aber bleiben nicht ausgelastet,
mas eine Vergrößerung der Rohrenanzahl, eine Lrhöhung der Wellenmasse und eine Vergrößerung
des drbeitsaufbrandes zur Wellenherstellung verursacht.
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Es sind auch Rohrwellen bekannt, die aus koaxial anseordneten Rohren
bestehen, bei denen die Innenrohre eine zusätzliche Eelastung vom Drehmoment aufnehmen.
Dies wird in folgender weise erreicht.
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Auf die endteile aer koaxial angeordneten Rohre sind in einem bestisaten
Abstand vom Rand Scheiben mit Dvolventenzähnen gesetzt und angeschweißt, die einen
gleichen Durchmesser des Teilkieises aufweisen. Ein jedes Außenrohr stoßt mit seiner
Stirnfläche gegen die an das Innenrohr geschweißte Scheibe, wodurch eine axiale
Verschiebung der kiirzeren Außenrohre in bezug auf die Innenrohre verhindert wird.
Die Evolventenzähne weisen verschiedene Dicken auf.
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Die größte Dicke ist bei den Zähnen der Scheibe, die am Innenrohr
geschweißt ist. Die an jedem nächstfolgenden
Außenrohr geschweißten
Scheiben haben eine Zahndicke kleiner, als bei der Scheibe, die am vorherigen Innenrohr
geschweißt wurde.
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Auf den Wellenenden sitzen Kupplungen mit Evolventen-Innenzähnen,
die auf der gesamten Kupplungslänge eine gleiche Dicke aufweisen und mit den Zähnen
der Scheiben im ein griff stehen, die an die Rohre geschweißt sind. Das Festhalten
der Kulungen am Außenrohr erfolgt durch Muttern.
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Eine aer Kupplungen hat einen Flansch zur Veibindung < in üblicher
Lieise>mit der Schrautenwelle oder mit dem Flansch der Antriebswelle #. Die zweite
Kupplung tritt in eingriff mit den Zähnen der Scheiben, die an den Rchren der nächstfolgenden
Rohrwelle an geschweißt sind. Im Raum zwischen den Rohren sitzt ein elastisches
Silikonharz, ds mit den hohrflachen fest zusammengeklebt ist.
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Der Betrieb der Welle verläuft in folgender Weise. Dadurch, daß die
Zähne aer Innenrohrscheiben eine größere Dicke als die Zähne der außenrohrscheiben
suf.eisen, nehmen sie als erste die Belastung vom Drehmoment auf. flach Vtrdrehung
des Innenrohres um einen bestimmten Winkel, der dem Spielraum im Eingriff der Kupplung
mit der nächstfolgenden Scheibe entspricht, V:id die Belastung vom nächstfolgenden
Außenrohr aufgenommen. Bei weiterer Verdrehung nimmt die Belastung das nächstfolgende
Außenrohr auf und beim Nennwert des Drehmomentes werden alle Rohre fast gleichmäßig
belastet.
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Ein Mangel dieser sonstruktion besteht in der ungenügenden Steifigkeit
der stelle, die unter .echselbelastunben und
insbesondere unter
Torsionsschwingungen inbetriebsteht, sowie darin, daß bei der Übertragung eines
Drehmonentes unter dem llennwert die Außenrchre nicht in Anspruch genommen werden.
Unter Wechselbelastungen wird eine Schwingung der rohre entstehen, die nur teilweise
durch das die Rohre verbindende elastische Silikonharz gedämpft wird. In Zusannenhang
damit, daß die Schiffs-Wellenleitung nicht immer unter Nennbelastung inbetriebsteht,
aird der Verschleiß der Zähne an den Scheiben der Innenrohre größer, als an den
Scheiben der Außenrohre , was eine Verninderung ihrer Dicke verursacht und folglich
auch eine Verminderung der Belastungen, die durch die Innenrohre aufgenommen werden.
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Die zunächst von den Innenrbhren aufgenommenen Wechselbelastungen
erfordern eine Erhöhung des Sicherieitsfaktcrs, dieser Umstand ermöglicht es aber
nicht, die Belastungen gleichmäßig auf die Innen- und Außenrohre zu verteilen.
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Die Kompliziertheit der Konstruktion und die Notwendigkeit einer
Schweißung der scheiben an die Rohre nach dem Verzahnen geviährleisten nicht Genauigkeit
der Einhaltung von Spielräumen zwischen den Scheibenzähnen und Kupplungen, und das
Verzahnen nach der Schweißung erfordert eine Sonderausrüstung, wobei ein genaues
Verzahnen infolge unter ragender Steifigkeit der Konstruktion nicht gesichert werden
kann.
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In Zusammenhang damit, daß der Spannungszustand der Rohre nur unter
Belastung im Betriebsverlauf erzeugt wird, ist die Kontrolle der Be1astungsgleichmäigkeit
der Rohre erschwert.
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Die Welle ist durch eine geringe Reparierbarkeit gekennzeichnet,
da ihre Bauart nicht auseinandernehmbar ist.
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Die Erfindung bezweckt die Beseitigung der erwähnten Nachteile.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rohrwelle für Schiffs-Wellenleitungen
mit erhöhter Tragfähigkeit durch Neuverteilung der Tangentialspannungen der Außen-und
Innenrohre der Welle zu entwickeln und die Erzeugung <> in den die Hauptbelastung
aufnehmenden Außenrohren < von zu gewährleisten.
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Tangentialvorspannungen die den Tangentialspannungen entgegen gerichtet
sind, welche unter der Einwirkung des Nenndrehmomentes entstehen.
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diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß an Rohrwellen für Schiffswellenleitungen,
die mindestens xei koaxial angeordnete rohre enthalten, an deren Enden Wellen endteile
befestigt sind, die nohre um ihre Sigenachse in entgegengesetzten Richtungen bis
zur Erzeugung von Spannungen verdreht werden, die die Grenze elastischer Verformungen
nicht übersteigen, und daß mindestens an einer Seite an jedem der Rohre Flansche
befestigt werden, die als Wellen-'endteile dienen und Mittel zu ihrer Vebindung
miteinander und zum Festhalten der Rohre im verdrehte Zustand aufweisen.
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Die Erzeugung # im Außenrohr durch Verdrehung beim Zusammenbau >
von Tangentialspannungen > die der Richtung der Tangentialspannungen entgegengesetzt
sind. welche infolge Wirkung des Nenndrehmomentes entstehen, führt dazu, daß
das
Außenrohr ein Drehmoment größer als das Rechnungsmoment für ein ebensolches Rohr
ohne Vorspannung aufnehmern kann, Somit kann eine im Bereich elastischer Verformungen
vorverdrehte Rohrwelle eine Belastung aufnehmen, die dem durch Vorverdrehung verursachten
Moment entgegengesetzt gerichtet und größer ist, als bei einer Welle, die keine
Vorspannungen durch Verdrehung erhielt. Dies erfolgt durch Neuverteilung der Spannungen
und Erzeugung # in den üblicherweise unterbelasteten Innenrohren < zusätzlicher
Spannungen > Es ist zweckmäßig, die Welle der Schiffs-Wellenleitung mit elastischen
Abstützungen zu versehen, die im Ringraum zwischen Innen- und Außenrohr angeordnet
werden.
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Die in solcher weise eingebauten elastischen Abstützungen erhöhen
die Steifigkeit der Welle, vermindern ihre schwingung und bilden keine Behinderung
beim Auseinandernehmen der Welle bei Reparaturen.
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Es ist zweckmäß, die Rohrwelle der Schiffs-Wellenleitung mit starr
befestigten Flanschen an einem Endteil, und am anderen einem Endteil das Außenrohr
mit Flansch starr verbunden auszuführen und die Flansche der Innenrohre so bev:eglich
zu befestigen, daß sie in bezug auf den Flansch des Außenrchres axial verschiebbar
sind.
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hine solche Befestigung der Innenflansche an einem der Wellenenden
wird die Entstehung von Zugspannungen im Außenrohr und vcn Druckspannungen in den
Innenrohren bei Verbindung der Flansche miteinander verhinaern.
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Es ist zweckmäßig, die Innenrohre mit Schlitzen zu versehen und in
den Flanschen entsprechende Schlitze auszuführen. Dabei ist es zweckmäßig die Schlitze
in Büchsen einzuschneiden, die danach starr an den hohen, z.B. durch Schweißung
befestigt werden.
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Die Verbindung der Flansche mit den Rohren mittels Schlitze ist leicht
ausführbar und sichert eine axiale Verschiebung der Flansche sowie die Übertragung
des Drehmomentes.
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Nachstehend vJild die Erfindung anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 Schnitt der erfindungsgemäßen
Rohrwelle einer Schiffs-Wellenleitung ; Fig. 2 Schnitt II-II der Fig. 1; Fig. 3
axonometri sche Ansicht des Wellenendteils mit Profilwellen-und flabenverbindung
des Flansches mit dem Innenrohr; Fig. 4 Aus£-ührungsvariante einer non zelle aus
mehreren Rohren mit einem kegelförmigem Körper zum Aufsetzen der Schiffsschraube.
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Die Rohrwelle 1 (Fig. 1, 2) einer Schiffs-Wellenleitung der erfindungsgemäßen
Bauart enthält mindestens zwei koaxial angeordnete Rohre. In Fig. 1 sind einfachheitshalber
z.vei Rohre dargestellt, in der Praxis aber können es auch mchrere sein.
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Im Inneren eines Außenrohres 2 sitzt ein Innenrohr 3.
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An den mnden-des Außenrohres 2 sind starr, z.B. durch Scbvjeißung
Flansche 4 und 5 befestigt.
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An den Enden des Innenrohres 3 sind Flansche 6 und 7 befestigt, wobei
einer der Flansche, nä~mlich der Flansch während 6 starr, z.B. durch Schweißung
befestigt ist, der andere ist > Flansch 7 am Innenrohr 3 beweglich > befestigt
und in bezug auf den flansch 5 des Außenrohres 2 axial verschiebbarV In der Praxis
kann die Beweglichkeit des Flansches 7 des Innenrohres 3 in bezug auf den Flansch
5 des Aunenrohres 2 durch verschiedene Verfahren gesichert werden.
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In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde dies durch eine
Profilwellen- und Nabenverbindung bewerkstelligt.
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Zur leichteren Ausführung der Schlitze sind diese in eine Büchse
8 eingeschnitten, die danach am lande des Innenrohres 3 angeschweißt wird. Sind
mehreie Innenrohre 3 vorhanden, werden die Eüchsen 8 am jeden Innenrohr angeschweißt.
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Im Flansch 7 sind ebenfalls Schlitze ausgeführt, in die Teile der
Büchse 8 eingreifen, wobei eine Beweglichkeit der Verbindung gewährleistet wird.
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In den Flanschen 5, 7 der Außen- und Innenrohre 2 bzw.
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3 sind Bohrungen 9 (Fig. 3) ausgeführt, in denen die Vorrichtungen
zur Verbindung der Flansche mlteinander, z.B.
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Schlauben 10 (Fig. 1) untergebracht werden.
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Durch diese Schrauben 10 werden die Flansche 5, 7 der Rohre 2 bzw.
3 miteinander verbunden, nachdem dasAußenrohr 2 und das Innenrohr 3 in bezug aufeinander
bis auf solche Spannuten verdreht sind, die elastische Verformungen nicht
übertreffen.
Dabei wird durch die Ausführung der flansche 7 an den Innenrohren 3 < bewegliche
> es ermöglicht, Zugspannungen in den Außenrohren 2 und Druckspannungen in den
Innenrohren 3 bei Vebindung der Flansche 5, 7 miteinander zu vermeiden.
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Die durch die Schrauben 10 miteinander verbundenen Flansche 5, 7
dienen als Endteil der Welle 1 und sichern eine Verbindung der ellen miteinander
bei Errichtung der Schiffs-Wellenleitung. Dabei kann die Welle 1 auch als Schraubenwelle
benutzt werden und dann wird das eine seiner Endteile angepaßt zum-Aufsetzen der
Schiffsschraube wie in ii6. 4 dargestellt, xuf das Innenrohr 3 (F. 1) wird vor dem
Zusammenbau der Rohrwelle eine mit ledern 12 versehene elastische Abstützung 11
(Fig. 1, 2) angeordnet und z.B. durch Schweißung befestigt. Winde solche Art der
elastischen Abstützung 11 gewährleistet eine Dämpfung von Schwingungen und behindert
nicht das Auseinandernehmen der Rohrwelle 1.
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Der Zusammenbau der Rohrwelle verläuft wie folgt.
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In das Außenrohr 2 werden nacheinander die Innenrohre 3 vom de@ Seite
der starr an den Rohren befestigten Flanschen 4, 6 aus eingesetzt, die danach durch
die Schrauben 10 miteinander fest verbunden werden. Die auf diese Weise zusam:nengebaute
Welle wird durch die Flansche 4, 6 einer (in den Zeichnungen nicht dargestellten)
MontageFlatte befestigt;.
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Danach werden auf die Büchsen 8 der Innenrohre 3 die Flansche auf
Auf den Flansche 7 wirden dann eine (in den Zeichnungen
nicht
abgebildete) Vorrichtung befestigt, durch die auf den Flansch das erforderliche
Drehmoment übertragen werden kann. Durch diese Vorrichtung wird jeder Flansch 7
gemeinsam mit der Büchse 8 und aem Endteil des Innenrohres 3 um einen durch Berechnung
ermittelten Winkel verdreht.
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Der Drehwinkel wird aus den Bedingungen ermittelt, die stellen.
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sicher daß die Tangentialspannungen im Innenrohr 3 die Grenze der
elastischen Verformungen nicht übertreffen. Die Grenze der @@astischen Verformungen
hängt in jedem gegebenen Fall von Werkstoff ab, aus dem die Rohre gefertigt sind.
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Die kontrolle der Verdrehung erfolgt nach vorne auf die Flansche
5, 7 aufgetragenen @instellungsmarken.
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Nach der Erreichung d Verdrehungssollwinkels und der Spannungen im
Innenrohr 3 vrird der Flansch 7 am Innenrohr 3 an den Flansch 5 des Außenrohres
2 angezogen und an diesem Flansch 5 durch schrauben 10 befestigt, wobei die Flansche
5 und 7 gemeinsam den Endteil der Welle 1 bilden.
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Nachdem die Verdrehungsbelastun vom Flansch 7 genomnen ist, wird
das Innenronr 3 durch die elastischen Kräfte losgedreht und dabei gleichzeitig das
Außenrohr in entgegengesetzte Richtung so lange verdreht, bis die Tangentialspannungen
in den rohren 2 und 3 den gleichen Wert annehmen.
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Die Spannungskontrölle erfolgt z.B. durch tensometrische Geber, die
auf dea Außen- und Innenrohr 2 tz. 3 aneordnet werden.
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Ist eine Rohrwelle mehr als aus zwei Rohren herzustellen, können
die darauffolgenden Rohre in das Innere der Welle ein
gebracht,
nacheinander verdreht und durch die Flansche 7 und Schrauben 10 zusammengebaut werden.
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Erforderlichenfalls kann in dieser Weise eine Schrauben~ wolle 1
hergestellt erden, bei aer das eine endteil mit einen kegelförmigen Körper 13 für
die Schiffsschraube ausgeführt ist. Sinne solche Welle ist in Fi. 4 dargestellt.
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In diesem Falle werden an den kegelförmigen Körper 13 die Innen-
und Außenrohre der Welle 1 nacheinander an geschweißt, beginnend mit dem innersten
hohr, danach werden die Flansche des gegenüberliegenden Endteils zusammengebaut,
beginnend mit den Flansch, der denjenigen folgt, welcher am Außenrohr angescbweißt
ist.
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Die Rohrverdrehung bei der Welle 1 erfolgt nach dem oben beschriebenen
Verfahren.
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Durch die Erzeugung beim Zusammenbau im Außenrohr der Welle 1 <
von Tangentialspannungen >, die der Richtung der Tangentialspannungen entgegengesetzt
sind, welche beim Wellen betrieb infolge Wirkung des Drehmoment es entstehen, kann
die Welle ein Drehmoment aufnehmen, das großer als das Rechnunssmoment für Rohre
ist, die keine Vorspannung aufweisen.
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Sonit kann eine vorverdrehte Welle eine Belastung aufnehmen, die
dem Drehmoment infolge Vorverdrehung entgegengesetzt und größer ist, als eine Welle
ohne Vorspannungen.
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Es ist besonders zweckmäßig, die erfindungsgemäßen Weller für Wellenleitungen
mit Verstellpropellern anzuwenden, bei denen die Wellen stets in einer wichtung
laufen und als Hohlkörper zum Durchgang der Arbeitsteile der Winkeleinstelleinrichtung
auszubilden sind.
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.Die erfindungsgemäßen Wellen können jedoch auch ftir Festpropellern
benutzt werden, da das Drehmoment, das durch diese Schiffsschrauben bei der Rückfahrt
erzeugt wird, wesentlicher kleiner als das Nenndrehmoment bei Foirtbewegung ist.