DE4411760A1

DE4411760A1 - Einrichtung zur Weiterleitung von Axialkräften in Motor-Getriebe-Anlagen

Info

Publication number: DE4411760A1
Application number: DE4411760A
Authority: DE
Inventors: Henrik Theben
Original assignee: ROSTOCK DIESELMOTOREN
Current assignee: ROSTOCK DIESELMOTOREN
Priority date: 1994-04-06
Filing date: 1994-04-06
Publication date: 1995-10-12

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Weiterleitung äußerer Axialkräfte für Motor- Getriebe-Anlagen, insbesondere Schiffsantriebsanlagen, die mit koaxial oder konzentrisch angeordneten Getriebewellen die zueinander eine Relativdrehbewegung ausführen, ausgestattet sind.

In der Handelsschiffahrt besteht ständig die Forderung nach Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Schiffe. Von besonderer Bedeutung sind hierbei Antriebsanlagen mit hohem Wirkungsgrad. Ein wichtiges Kriterium ist die optimale Propellerdrehzahl, die u. a. beeinflußt wird durch die Schiffskörpergeometrie, die wiederum die Größenordnung des Propellers vorgibt, sowie durch Antriebsleistung und -drehzahl.

Obwohl als Hauptantriebsmotor häufig langsam laufende Zweitakt-Kreuzkopf- Dieselmotoren, die direkt den Propeller antreiben, zum Einsatz kommen, kann es vorkommen, daß die Betriebsdrehzahl eines solchen Motors höher liegt als die optimale Drehzahl des Propellers. Um daraus resultierende Wirkungsgradverluste zu vermeiden muß eine Drehzahluntersetzung erfolgen, die zweckmäßigerweise mit einer Getriebestufe realisiert werden kann. Dies kann mit Stirnrad- oder Planetenradgetriebestufen erfolgen.

Bei langsamlaufenden Zweitaktmotoren ist es anzustreben, einen Achsversatz zwischen Antriebs- und Abtriebswelle zu vermeiden, um damit einhergehende Nachteile wie z. B. ungünstige Schwerpunktslage des Schiffs und Verringerung des verfügbaren Ladevolumens auszuschließen bzw. möglichst gering zu halten.

Neben der Drehzahloptimierung von Propellern ist wiederholt der Antrieb von Schiffen mit kontrarotierenden Propellern vorgeschlagen und vereinzelt auch realisiert worden.

Hierbei wird der hintere Propeller über eine Vollwelle direkt von der Hauptmaschine angetrieben, während der vordere Propeller mittels einer Getriebestufe eine Drehrichtungsumkehr und ggf. auch eine Drehzahländerung erfährt.

Antriebsanlagen mit Zweitakt-Dieselmotor und Untersetzungsgetriebe, das sowohl als koaxiales als auch als kontrarotierendes Getriebe ausgeführt sein, haben das Problem gemeinsam, daß die Aufnahme der Axialkraft infolge des Propellerschubs wegen des unterbrochenen Kraftflusses in Wellenlängsrichtung nicht bzw. nur teilweise vom eigentlich dafür vorgesehenen Motordrucklager erfolgen kann, sondern über ein externes Drucklager im Getriebe realisiert werden muß.

Zur Aufnahme von Axialkräften sind sowohl Axialgleitlager als auch Axialwälzlager bekannt und in vielfältigen Ausführungen im Maschinenbau im Einsatz.

Bei Verwendung von Axialgleitlagern werden für geringe aufzunehmende Axialkräfte Radialgleitlager mit Anlaufbunden versehen, deren Fläche glatt oder zur Erleichterung des Aufbaus des hydrodynamischen Schmierfilms mit eingearbeiteten Keilflächen versehen sein kann, so daß sie als Radial-Axial-Gleitlager fungieren. Bei hohen Axialkräften, wie sie auch in Schiffsantriebsanlagen durch die Vortriebswirkung des Propulsionsorgans wirken, werden kippbewegliche Gleitsegmente eingesetzt, so daß auf diese Weise zum einen der Aufbau des Schmierkeils erleichtert und zum anderen mögliche Wellenverlagerungen und -verformungen kompensiert werden können. Die Gleitsegmente können ihrer geometrischen Grundform nach sowohl als Kreisringsegmente als auch als kreisrunde Gleitsteine ausgeführt sein. Auch Zwischenformen sind möglich. Um ein möglichst gleichmäßiges Tragen aller Gleitsegmente zu gewährleisten, sind diese für einen Höhenausgleich der Gleitflächen beispielsweise auf Tellerfedern oder Elastomer-Platten abgestützt.

Bei einer Wälzlagerung zur Aufnahme des Propellerschubs wird in den meisten Fällen eine Kombination zweier Axialpendelrollenlager eingesetzt, wobei jedes Lager die Axialbelastung aus jeweils einer Axialrichtung aufnimmt.

Wenn die Aufnahme des Propellerschubs nicht über das Motordrucklager erfolgt, müssen die aus dem Propellerschub resultierenden Axialkräfte über Axialgreiflager oder Axialwälzlager in ein spezielles Lagergehäuse, das auch im Getriebe integriert sein kann, aufgenommen und von dort über das schiffsseitige Fundament in den Doppelboden abgeleitet werden.

Die separate Aufnahme des Propellerschubs erfordert in jedem Falle einen Mehraufwand, da ein ausreichend versteiftes Lagergehäuse (ggf. als Bestandteil eines Getriebes) und ein entsprechend stabiles Lager- oder Getriebefundament bereitgestellt werden müssen. Demgegenüber steht beispielsweise bei 2-Takt-Dieselmotoren motorseitig ein Drucklager zur Verfügung, daß wegen des unterbrochenen Axialkraftflusses jedoch nicht genutzt werden kann.

Ausgehend von diesem Stand der Technik verfolgt die Erfindung das Ziel, die äußere Axialkraft infolge der Vortriebswirkung des Propulsionsorgans auf einfache Weise und bei Kompensation möglicher Wellenverlagerungen und -verformungen dem vorhandenen Axiallager der Antriebsmaschine zuzuleiten, welches die Axialkraft dann über das Motorgehäuse und das Motorfundament in den Schiffskörper ableitet, so daß kein zusätzliches Hauptdrucklager in der Wellenleitung erforderlich ist.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, daß zwischen der Propellerwelle (bezüglich der Weiterleitung der Axialkraft infolge des Propellerschubs nachfolgend als Primärwelle bezeichnet) und der mit dem langsamlaufenden Dieselmotor und dessen Drucklager direkt verbundenen Antriebswelle (nachfolgend als Sekundärwelle bezeichnet) ein radial nicht abgestütztes und in beiden Axialrichtungen wirkendes Axiallager angeordnet ist, das neben der Kompensation möglicher Wellenverlagerungen die Propellerschubkraft von der Primär- auf die Sekundärwelle überträgt und daß die Propellerschubkraft durch das Getriebe hindurch dem Drucklager des Dieselmotors in direkter Flucht zugeleitet und über dieses in das Motorfundament und in den Schiffskörper abgeleitet wird. Analog dazu kann die Primärwelle auch die Hohlwelle und die Sekundärwelle die Vollwelle eines Antriebes mit kontrarotierenden Propellern darstellen. Ein derartiges Lager ist zweckmäßigerweise im Getriebe (z. B. Planeten- oder Stirnradgetriebe) integriert. Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Weiterleitung von Axialkräften ist seitens des Getriebegehäuses, der Getriebefundamentierung und seitens des Schiffskörpers kein Mehraufwand in Form von zusätzlichen Versteifungen oder Materialanhäufungen zur Aufnahme des Propellerschubs erforderlich, da dies über das ohnehin vorhandene Motordrucklager und das Motorfundament erfolgt. Da in Schiffsantriebsanlagen die Axialkraft nicht nur in Vortriebsrichtung wirkt, sondern z. B. bei Umsteuerung des Dieselmotors oder Veränderung der Flügelsteigung von Verstellpropellern auch in entgegengesetzter Richtung wirken kann, ist das Axiallager vorzugsweise als Doppelaxiallager ausgeführt und wirkt somit in beiden Axialrichtungen. Grundsätzlich ist jedoch auch ein einseitig wirkendes Axiallager gemäß vorliegender Erfindung möglich.

Auch der bezüglich Primär- und Sekundärwelle umgekehrte Aufbau des Axiallagers ohne Veränderung der Wirkungsweise ist möglich.

Entsprechend der im Maschinenbau am häufigsten verwendeten Lagerungsarten Gleitlager und Wälzlager gibt es zwei prinzipielle Lösungsvorschläge:

- Axiallager mit hydrodynamisch geschmierten Gleitsteinen, die ringförmig um eine Welle an einem Druckflansch angeordnet sind und mit zur anderen Welle zugehörigen Anlaufflächen, wobei jede Welle wahlweise als Primär- als auch als Sekundärwelle fungieren kann;
- Axiallager ausgeführt mit Wälzlagern, beispielsweise unter Verwendung von Axialpendelrollenlagern.

Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Lösung an mehreren Ausführungsbeispielen verdeutlicht. Es zeigen:

Fig. 1, 2 Ausführungsbeispiele von Axiallagern mit hydrodynamisch geschmierten Gleitsteinen;

Fig. 3-5: Ausführungsbeispiele von Axiallagern in wälzgelagerter Ausführung;

Fig. 6 Einbaubeispiel eines Axiallagers mit hydrodynamisch geschmierten Drucksteinen in einem Planetengetriebe für einen Antrieb mit kontrarotierenden Propellern.

In Fig. 1 verfügt die Primärwelle 1, die mit dem Propeller als Propulsionsorgan wirkverbunden ist, an ihrem stirnseitigen Ende über einen Druckflansch 2, an dem zwei kreisringförmig ausgebildete Gleitsteinträger 3 befestigt sind, auf denen sich die am Umfang der Primärwelle 1 angeordneten Gleitsteine 4 abstützen. Die Versorgung des Axiallagers mit Schmier- und Kühlöl erfolgt von einer radialen Ölzuführung 5 aus über eine oder mehrere Radialbohrungen 6 in der Primärwelle 1, durch eine Axialbohrung 7 und wird sternförmig durch den Druckflansch 2 verteilt, fließt durch Axialbohrungen 7 im Druckflansch 2 und durch die Steinträger 3 hindurch, so daß das Öl zwischen den Gleitsteinen 4 austritt und zum Aufbau eines hydrodynamischen Schmierkeils zwischen den Gleitsteinen 4 und der Anlauffläche des motor- oder propellerseitigen Druckflansches 9, 10 der Sekundärwelle 11 genutzt werden kann. Der Druckflansch 9 zur Aufnahme der Axialkraft in Vorausrichtung ist mit dem kreisringförmigen Druckflansch 10 für Rückwärtsfahrt über einen Hohlzylinder 12 verbunden, der über ausreichend, große Öffnungen 13 zum Abfließen des Schmieröls verfügt. Die radiale Abstützung von Primärwelle 1 und Sekundärwelle 11 erfolgt über herkömmliche Radialgleitlager 14. Bei einem wirkungsbezogenen Vertauschen von Primärwelle 1 und Sekundärwelle 2 ist die Wirkungsweise des Axiallagers analog.

In Fig. 2 verfügt die Primärwelle 1 an ihrem stirnseitigen Ende über einen Flansch 15, an dem ein Hohlzylinder 12 befestigt ist, an dem wiederum eine kreisringförmige Scheibe 16 befestigt ist, an deren Stirnseiten jeweils ein Steinträger 3 angeordnet ist, auf denen sich die am Umfang angeordneten Gleitsteine 4 abstützen. Die Versorgung des Axiallagers mit Schmier- und Kühlöl erfolgt von einer radialen Ölzuführung 5 aus über Radialbohrungen 6 und Axialbohrungen 7 in der Sekundärwelle 11, wird sternförmig durch den motorseitigen Druckflansch 9 und den propellerseitigen Druckflansch 10 verteilt, tritt durch axiale Bohrungen 8 aus den Druckflanschen 9, 10 zwischen den Gleitsteinen 4 aus, so daß das Öl zum Aufbau eines hydrodynamischen Schmierkeils zwischen den Gleitsteinen 4 und den Anlaufflächen der Druckflansche 9, 10 der Sekundärwelle 11 genutzt werden kann. Die radiale Abstützung von Primärwelle 1 und Sekundärwelle 11 erfolgt über herkömmliche Radialgleitlager 14. Bei einem wirkungsbezogenen Vertauschen von Primärwelle 1 und Sekundärwelle 2 ist die Wirkungsweise des Axiallagers analog.

In Fig. 3 sind zwei Wälzlager 17, 18 auf der Primärwelle 1 angeordnet, die an ihren Außendurchmessern von einer Glocke 19 umgeben sind, die über einen motorseitigen Druckflansch 9 an der Sekundärwelle 11 befestigt ist. Als Axiallager zur Aufnahme des Propellerschubs bei Vorausfahrt ist ein Axialwälzlager 18 gewählt, das den Propellerschub von der Primärwelle 1 über einen Wellenabsatz 20, durch das zweite Walzlager 17 und einen Distanzring 21 aufnimmt und auf den Druckflansch 9 der Sekundarwelle 11 überträgt. Der Distanzring, 21 kann üblicherweise eine Kippbeweglichkeit des erfindungsgemäßen Axiallagers ermöglichen. Das Wälzlager 17 ist sowohl zur Aufnahme von Axial- als auch Radialbelastung geeignet und nimmt bei Rückwärtsfahrt den Propellerschub von einer am stirnseitigen Ende der Primärwelle 1 befestigten Scheibe 22, durch das Wälzlager 18 und den Distanzring 21 auf und leitet diesen über die Glocke 19 und den Flansch 9 der Sekundärwelle 11 weiter.

Die Ölversorgung der Wälzlager 17, 18 erfolgt, wie bei standardmäßig hergestellten Wälzlagern üblich, über eine Schmiernut am Außenring und ist nicht dargestellt. Das Ablaufen des Schmieröls kann über die Öffnung 23 in der Glocke 19 erfolgen.

In Fig. 4 ist als Variante zum Ausführungsbeispiel in Fig. 3 das erfindungsgemäße Axiallager mit zwei Axialwälzlagern 18, 19 ausgeführt, so daß eine radiale Abstützung von Primärwelle 1 und Sekundärwelle 2 innerhalb des erfindungsgemäßen Axiallagers nicht erfolgt. Da die Axiallast infolge des Propellerschubs jeweils nur ein Wälzlager 17 oder 18 axial belastet, sind zur Gewährleistung einer axialen Mindestbelastung üblicherweise Axialfedern 24 vorgesehen.

Eine weitere mögliche Ausführungsform ist in Fig. 5 dargestellt, wo auf der Primärwelle 1 wiederum zwei Axialwälzlager 17, 18 angeordnet sind, die an ihren Außendurchmessern von einer Glocke 19 umgeben sind, die über einen Druckflansch 9 an der Sekundärwelle 11 befestigt ist. Der Propellerschub wird bei Vorausfahrt von der Primärwelle 1 über einen Wellenabsatz 20, durch das Wälzlager 17 hindurch auf die Glocke 19 weitergeleitet, dort vom motorseitigen Druckflansch 9 der Sekundärwelle 11 aufgenommen und durch die Sekundärwelle 11 dem Drucklager der Kraftmaschine zugeleitet. Das Ablaufen des Schmieröls kann durch eine oder mehrere Ölablaufbohrungen 25 im Flansch 9 oder in der Glocke 19 erleichtert werden.

In Fig. 6 ist das Einbaubeispiel eines Axiallagers mit hydrodynamisch geschmierten Drucksteinen in einem Planetengetriebe für einen Antrieb mit kontrarotierenden Propellern dargestellt. Die direkte Verbindung zwischen Antriebsmotor 30 und der Sekundärwelle 11 mit dem hinteren Propeller 28 stellt einen herkömmlichen Schiffsantrieb dar, bei dem die Axialkraft infolge der Vortriebswirkung des hinteren Propellers 28, dem Drucklager der Antriebsmaschine 30 zugeleitet wird. Über einen Flansch 15 wird von der Sekundärwelle 11 Drehmoment abgenommen und über eine elastische Kupplung 27 in das Getriebe 26 eingeleitet, wo mittels einer Planetengetriebestufe die Drehrichtungsumkehr erfolgt, so daß das bezüglich Drehrichtung und ggf. auch bezüglich Drehzahl gewandelte Drehmoment an die Primärwelle 1 und den auf ihr starr befestigten vorderen Propeller 29 abgegeben wird. Die durch Wirkung des vorderen Propellers 29 erzeugte Axialkraft wird über die Primärwelle 1 in das Getriebe 26 geleitet und dort in direkter Flucht über kippbewegliche Gleitsteine 4, die auf kreisringförmig am Drucklagerflansch 2 angeordneten Gleitsteinträgern 3 symmetrisch angeordnet sind, auf den Druckflansch 2 der Sekundärwelle 11 weitergeleitet dem Drucklager des Antriebsmotors 30 zugeleitet. Die Ölversorgung des Axiallagers erfolgt mittels einer radialen Ölzuführung 5 sowie über radiale und axiale Bohrungen 6, 7, 8 in der Primärwelle 1, der Sekundärwelle 11 und deren Druckflansch 2.

Einrichtung zur Weiterleitung von Axialkräften, insbesondere in Schiffsantriebsanlagen mit Untersetzungsgetriebe für langsamlaufende Propeller, insbesondere für Getriebe mit koaxial oder konzentrisch angeordneter Antriebs- und Abtriebswelle, die zueinander relative Drehbewegungen ausführen, wobei jedoch keine äußeren Axialkräfte auf das Getriebegehäuse einwirken, gekennzeichnet durch die Merkmale,

a) daß die vom Propulsionsorgan verursachte Axialkraft in direkter Flucht durch das Getriebe (26) verläuft und das zwischen der axialkrafteinleitenden Primärwelle (1) und der axialkraftableitenden Sekundärwelle (11) ein ein- oder doppelseitig wirkendes, sowohl axial als auch radial innerhalb des Getriebes nicht abgestütztes, Axiallager angeordnet ist.
b) daß das Axiallager als hydrodynamisch wirkendes Axialgleitlager oder aber als Axialwälzlager ausgeführt ist.
c) daß bei einem hydrodynamisch wirkenden Axialgleitlager die Primärwelle (1) an ihrem stirnseitigen Ende über einen Druckflansch (2) verfügt, an dessen beiden Stirnflächen je ein kreisringförmiger Steinträger (3) angeordnet ist, in denen kreisförmig angeordnete kippbewegliche Gleitsteine (4) geführt werden, die mit ihren Anlaufflächen bei Vorausfahrt gegen einen motorseitigen Druckflansch (9), der mit der Sekundärwelle (11) starr verbunden ist, oder bei Rückwärtsfahrt gegen einen propellerseitigen Druckflansch (10), der mit dem motorseitigen Druckflansch (9) über einen oder mehrere Distanzkörper (12) starr verbunden ist und der über am Umfang angeordnete Öffnungen (13) zum Ölablauf verfügt, drücken.
d) daß die Primärwelle (1) an ihrem stirnseitigen Ende über einen Flansch (15) verfügt, an dem ein oder mehrere Distanzkörper (12), der über am Umfang angeordnete Öffnungen (13) zum Ölablauf verfügt, mit einer wiederum stirnseitig starr befestigten kreisringförmigen Scheibe (16) angeordnet ist, die Scheibe (16) an ihren Stirnflächen über je einen kreisringförmigen Steinträger (3) verfügt, in denen kreisförmig angeordnete kippbewegliche Gleitsteine (4) geführt werden, die mit ihren Anlaufflächen bei Vorausfahrt gegen einen motorseitigen Druckflansch (9), der mit der Sekundärwelle (11) starr verbunden ist, oder bei Rückwärtsfahrt gegen einen propellerseitigen Druckflansch (10), der an der über den motorseitigen Druckflansch (9) hinaus verlängerten Sekundärwelle (11) starr befestigt ist, drücken.

Bezugszeichenliste

1 Primärwelle
2 Druckflansch
3 Gleitsteinträger
4 hydrodynamisch wirkender Gleitstein
5 radiale Ölzuführung
6 Radialbohrung
7 Axialbohrung
8 Axialbohrung
9 motorseitiger Druckflansch
10 propellerseitiger Druckflansch
11 Sekundärwelle
12 Distanzkörper
13 Öffnung im Distanzkörper
14 Radialgleitlager
15 Flansch
16 kreisringförmige Scheibe
17 Wälzlager
18 Wälzlager
19 Glocke
20 Wellenabsatz
21 Distanzring
22 Scheibe
23 Öffnung
24 Axialfeder
25 Ölablaufbohrung
26 Getriebe
27 hochelastische Kupplung
28 hinterer Propeller
29 vorderer Propeller
30 Antriebsmotor

Claims

1. Einrichtung zur Weiterleitung von Axialkräften, insbesondere in Schiffsantriebsanlagen, für Getriebe mit koaxial oder konzentrisch angeordneten Wellen, bei denen diese Wellen zueinander eine Relativdrehbewegung ausführen, mit dem Ziel der Vermeidung von Einflüssen äußerer Axialkräfte auf das Getriebegehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß äußere Axialkräfte in direkter Flucht durch das Getriebe hindurchgeführt werden und daß zwischen der axialkrafteinleitenden Primärwelle (1), die mit dem axialkrafterzeugenden Propulsionsorgan verbunden ist, und der axialkraftableitenden Sekundärwelle (11), die die Axialkraft zum Drucklager des Antriebsmotors (30) weiterleitet, ein in einer oder beiden Wellenlängsrichtungen wirkendes und radial nicht abgestütztes Axiallager angeordnet ist, von dem jeweils ein Funktionselement dieses Axiallagers jeweils an der Primärwelle (1) und an der Sekundärwelle (11) befestigt ist und zwischen diesen Funktionselementen geeignete axialkraftübertragende Körper (4, 17, 18) angeordnet sind.

2. Axiallager nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwelle (1) an ihrem stirnseitigen Ende über einen Druckflansch (2) verfügt, an dessen beiden Stirnflächen je ein kreisringförmiger Steinträger (3) angeordnet ist, in denen kreisförmig angeordnete kippbewegliche Gleitsteine (4) geführt werden, die mit ihren Anlaufflächen bei Vorausfahrt gegen einen motorseitigen Druckflansch (9), der mit der Sekundärwelle (11) starr verbunden ist, oder bei Rückwärtsfahrt gegen einen propellerseitigen Druckflansch (10), der mit dem motorseitigen Druckflansch (9) über einen oder mehrere Distanzkörper (12) starr verbunden ist und der über am Umfang angeordnete Öffnungen (13) zum Ölablauf verfügt, drücken.

3. Axiallager nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwelle (1) an ihrem stirnseitigen Ende über einen Flansch (15) verfügt, an dem ein oder mehrere Distanzkörper (12), der über am Umfang angeordnete Öffnungen (13) zum Ölablauf verfügt, mit einer wiederum stirnseitig starr befestigten kreisringförmigen Scheibe (16) angeordnet ist, die Scheibe (16) an ihren Stirnflächen über je einen kreisringförmigen Steinträger (3) verfügt, in denen kreisförmig angeordnete kippbewegliche Gleitsteine (4) geführt werden, die mit ihren Anlaufflächen bei Vorausfahrt gegen einen motorseitigen Druckflansch (9), der mit der Sekundärwelle (11) starr verbunden ist, oder bei Rückwärtsfahrt gegen einen propellerseitigen Druckflansch (10), der an der über den motorseitigen Druckflansch (9) hinaus verlängerten Sekundärwelle (11) starr befestigt ist, drücken.

4. Axiallager nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Primärwelle (1) ein oder mehrere Wälzlager (17, 18) mittels eines Wellenabsatzes (20) und einer Scheibe (22) axial fixiert angeordnet und von einer Glocke (19) umgeben sind, die mit dem motorseitigen Druckflansch (9) der Sekundärwelle (11) starr verbunden ist.