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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
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Den Ausgangspunkt der Erfindung bilden Propellerantriebe, bei denen eine Propellernabe mit einzeln daran befestigten Propellerblättern auf einer Antriebswelle montiert ist. Eine Pressverbindung der Propellernabe mit der Antriebswelle ermöglicht hierbei die Übertragung der vergleichsweise großen Drehmomente zwischen der Propellernabe und der Antriebswelle.
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Die zumeist aus Bronze oder aus kohlefaserverstärktem Kunststoff hergestellten Propellerblätter werden von außen auf der Außenseite der Propellernabe verschraubt. Hierzu weisen die Propellerblätter üblicherweise jeweils einen Fuß auf, der quer zur Verbindungsrichtung von Propellerblatt und Propellernabe über die Außenkontur des Propellerblattes herausragt, wobei an diesem über die Außenkontur des Propellerblattes herausragenden Bereich des Fußes die Verschraubung des Propellerblattes mit der Propellernabe erfolgt. Nachteiligerweise haben die an den Propellerblättern erforderlichen Füße zur Folge, dass die Propellernaben einen vergleichsweise großen Außendurchmesser aufweisen, wobei mit steigender Anzahl der Propellerblätter des Propellers eine immer größere Propellernabe erforderlich ist.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Antriebsvorrichtung der vorbeschriebenen Art zu schaffen, deren Propeller im Vergleich zu den bislang üblichen Propellern bei gleicher Anzahl der Propellerblätter eine bezüglich ihrer Außenabmessungen kleinere Propellernabe aufweist bzw. bei gleicher Größe der Propellernabe eine größere Anzahl von Propellerblättern aufweisen kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Antriebsvorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Antriebsvorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung. Hierbei können die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale jeweils für sich aber auch in geeigneter Kombination miteinander die erfindungsgemäße Lösung nach Anspruch 1 weiter ausgestalten.
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Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung kann grundsätzlich bei jedem von einem Propellerantrieb angetriebenen Fahrzeug eingesetzt werden, eignet sich aber in besonderem Maße für ein Unterwasserfahrzeug und insbesondere für ein militärisches Unterseeboot. Diese Antriebsvorrichtung ist in üblicher Weise mit einer Antriebswelle und einem an der Antriebswelle angeordneten Propeller ausgestattet. Der Propeller weist eine mit der Antriebswelle verbundene Propellernabe und mindestens zwei an der Propellernabe lösbar befestigte Propellerblätter auf.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Grundidee besteht darin, die Propellerblätter ausgehend von einer der Antriebswelle zugewandten Innenseite der Propellernabe her mit der Propellernabe mittels Kopfschrauben zu verschrauben. Diese Art der Verschraubung hat den Vorteil, dass die bislang zur Verschraubung des Propellerblattes mit der Propellernabe an den Propellerblättern erforderlichen, quer zur Verbindungsrichtung von Propellerblatt und Propellernabe über die Außenkontur des Propellerblattes herausragenden Füße nicht mehr benötigt werden, was zur Folge hat, dass im Vergleich zu den bislang bekannten Propellern der in Rede stehenden Art bei gleicher Anzahl der Propellerblätter Propellernaben mit einem deutlich geringen Außendurchmesser verwendet werden können bzw. der Propeller der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung bei gleich großer Propellernabe eine größere Anzahl von Propellerblättern aufweisen kann.
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Zur Verschraubung der Propellerblätter mit der Propellernabe weist die Propellernabe Durchgangslöcher auf, die sich in radialer Richtung durch die Propellernabe hindurch erstrecken, während die Propellerblätter, die zweckmäßigerweise zumindest in einem an die Propellernabe angrenzenden Endbereich aus einem Vollmaterial ausgebildet sind, an ihrem die Propellernabe in radialer Richtung kontaktierenden Ende Gewindesacklöcher aufweisen. Die Kopfschrauben werden von der Innenseite der Propellernabe aus durch die an der Propellernabe ausgebildeten Durchgangslöcher geführt und in den an den Propellerblättern ausgebildeten Sacklöchern verschraubt. Vorteilhafterweise sind die an der Propellernabe ausgebildeten Durchgangslöcher hierbei an ihrem an die Innenseite der Propellernabe angrenzende Ende mit vorzugsweise zylindrischen Erweiterungen versehen, in die die Schraubenköpfe eingesenkt werden.
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Gegebenenfalls können die Propellerblätter direkt an der äußeren Umfangsfläche der Propellernabe zur Anlage gebracht werden und dort mit der Propellernabe verschraubt werden. Bevorzugt sind aber an der äußeren Umfangsfläche der Propellernabe Ausnehmungen ausgebildet, in die die Enden der Propellerblätter eingreifen. Demnach sind an der äußeren Umfangsfläche der Propellernabe sich in radialer Richtung erstreckende Vertiefungen vorgesehen, die zweckmäßigerweise derart dimensioniert sind, dass sich die in die Vertiefungen eingeführten Propellerblätter an den quer zur Einführrichtung der Propellerblätter ausgerichteten Seitenwandungen dieser Vertiefungen abstützen. Diese Ausgestaltung ist insofern sinnvoll, als sie den Propellerblättern an der Propellernabe einen ausreichenden Halt gegen die bei Betrieb der Antriebsvorrichtung auf sie wirkenden Biegemomente bietet.
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Ein besonders sicherer Halt der Propellerblätter in den an der Propellernabe ausgebildeten Ausnehmungen lässt sich dann verwirklichen, wenn, wie es in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung vorgesehen ist, sich der Querschnitt der an der Propellernabe ausgebildeten Ausnehmungen in Richtung einer Mittelachse der Propellernabe kontinuierlich verjüngt und die Form der in die Ausnehmungen eingreifenden Enden der Propellerblätter mit der Form der an der Propellernabe ausgebildeten Ausnehmungen korrespondiert. Aufgrund dieser Formgebung der an der Propellernabe ausgebildeten Ausnehmungen und der Enden der Propellerblätter können die Propellerblätter in den Ausnehmungen quasi in Art einer Keilverbindung festgelegt werden, wobei neben dem Formschluss durch das Eingreifen der Enden der Propellerblätter in die Ausnehmungen ein zusätzlicher Kraftschluss zwischen den Propellerblättern und der Propellernabe erzeugt wird.
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Die Verbindung der Propellernabe mit der Antriebswelle erfolgt bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung bevorzugt kraftschlüssig in Form einer Pressverbindung und besonders vorteilhaft über einen Druckölpressverband, der ein einfaches Lösen der Verbindung von Antriebswelle und Propellernabe beispielsweise zu Reparaturzwecken oder zum Austausch des Propellers ermöglicht. Allerdings ist es bei der Verwendung eines Druckölpressverbandes nicht zweckdienlich, diesen direkt zwischen der Propellernabe und der Antriebswelle auszubilden, da das hierfür in den Zwischenraum zwischen der Antriebswelle um die Propellernabe einzuleitende Öl zur Bildung eines Druckölpolsters über die an der Propellernabe zur Verschraubung der Propellerblätter ausgebildeten Durchgangslöcher entweichen kann. Daher ist die Propellernabe der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung bevorzugt über eine zwischen der Propellernabe und der Antriebswelle angeordnete Hülse mittels eines Druckölpressverbandes mit der Antriebswelle verbunden, während die Propellernabe vorzugsweise über einen Querpressverband mit der Hülse verbunden ist.
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Zur Bildung des Druckölpressverbandes sind bevorzugt die Antriebswelle im Bereich der Anordnung der Propellernabe und die Hülse innen konisch ausgebildet. An ihrer Außenseite ist die Hülse hierbei vorzugsweise zylindrisch ausgebildet. Die äußere Zylindrizität der Hülse erlaubt es, als Propellernabe ein einfach herzustellendes hohlzylindrisches Ringelement zu verwenden.
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Die Bildung des Querpressverbandes zwischen der Hülse und der Propellernabe erfolgt bei entsprechender Dimensionierung von Hülse und Propellernabe durch radiale Aufweitung der Hülse bei der Bildung des Druckölpressverbandes zwischen der Hülse und der Antriebswelle. Um hierbei einen ausreichenden Fugendruck zwischen der Propellernabe und der Hülse für eine sichere Drehmomentübertragung von der Hülse auf die Propellernabe zu erzeugen, ist es vorteilhaft, wenn die Propellernabe gegenüber der Hülse ein gewisses Übermaß aufweist.
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Eine weitere und vorzugsweise zusätzliche Maßnahme zur Sicherstellung eines für die geforderte Drehmomentübertragung erforderlichen Fugendruckes zwischen der Propellernabe und der Hülse besteht vorteilhaft darin, die Propellernabe aus einem Material auszubilden, dessen Elastizitätsmodul größer als derjenige des Materials ist, aus dem die Hülse ausgebildet ist. D.h., die Propellernabe ist bevorzugt steifer als die Hülse ausgebildet.
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In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn die Propellernabe aus einem austenitischen Stahl und die Hülse aus Bronze ausgebildet sind. Insbesondere bei Verwendung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung in einem Über- oder Unterwasserfahrzeug kann als austenitischer Stahl für die Propellernabe zweckmäßigerweise ein nicht rostender Stahl, z. B. ein austenitischer CrNi-Stahl verwendet werden.
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Zur Erzeugung des für den Druckölpressverband von Antriebswelle und Hülse zwischen der Antriebswelle und der Hülse erforderlichen Ölfilms sind an der Propellernabe und der Hülse vorteilhafterweise jeweils zumindest ein sich in radialer Richtung erstreckendes Durchgangsloch ausgebildet, wobei die beiden Durchgangslöcher miteinander fluchten und zusammen mit einem Einführstutzen eine Ölzufuhrleitung bilden. Bevorzugt sind an der Propellernabe und der Hülse jeweils zwei solcher Durchgangslöcher vorgesehen, die in der Nähe der axialen Enden von Propellernabe und Hülse ausgebildet sind. Es hat sich gezeigt, dass das zwischen Hülse und Antriebswelle eindringende Öl bei dieser Anordnung der Ölzufuhrleitungen eine gewisse Ballung in der Hülse hervorruft, durch die der Zwischenraum zwischen der Hülse und der Antriebswelle an den axialen Außenrändern der Hülse abgedichtet wird.
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Zweckmäßigerweise ist auch die zumindest eine Ölzufuhrleitung im Kontaktbereich von Propellernabe und Hülse druckdicht abgedichtet, um zu verhindern, dass das Öl in die Fuge zwischen der Propellernabe und der Hülse gelangt. Bevorzugt sind mehrere Ölzufuhrleitungen vorgesehen, die jeweils im Kontaktbereich von Propellernabe und Hülse druckdicht abgedichtet sind.
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Bevorzugt sind die an der Hülse ausgebildeten Durchgangslöcher als Gewindelöcher ausgebildet, in die ein mit einer Hydraulikleitung verbindbarer Öleinführstutzen eingeschraubt ist. Die Verschraubung der Öleinführstutzen in die an der Hülse ausgebildeten Gewindelöcher erfolgt typischerweise von der Außenseite der Propellernabe aus, wo sie jeweils mit einer Hydraulikleitung verbunden sind. Zweckmäßigerweise sind die Öleinführstutzen so dimensioniert, dass sie sich in radialer Richtung über den Kontaktbereich von Propellernabe und Hülse hinweg erstrecken und diesen Kontaktbereich druckdicht abdichten.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt schematisch vereinfacht und in unterschiedlichen Maßstäben:
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1 in einer geschnittenen perspektivischen Unteransicht einen Propeller,
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2 in einer geschnittenen perspektivischen Darstellung den auf einer Antriebswelle montierten Propeller nach 1 und
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3 in einem Längsschnitt den auf der Antriebswelle montierten Propeller.
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Der in 1 dargestellte Propeller 2 weist eine hohlzylindrische Propellernabe 4 auf, an deren Außenseite mehrere Propellerblätter angeordnet sind, wobei in 1, der besseren Übersichtlichkeit wegen, nur der an die Propellernabe 4 angrenzende Endbereich eines Propellerblattes 6 dargestellt ist. Die Propellernabe 4 besteht aus austenitischem Stahl. Die Propellerblätter 6 sind aus kohlefaserverstärktem Kunststoff hergestellt, wobei sie in einem der Propellernabe 4 zugewandten Endbereich einen metallischen Kern 8 aufweisen (3).
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Zur lösbaren Befestigung der Propellerblätter 6 an der Propellernabe 4 sind an der äußeren Umfangsseite der Propellernabe 4 Ausnehmungen 10 ausgebildet, in die die Propellerblätter 6 mit ihren Endabschnitten 12 (siehe auch 3) eingreifen. Die die Ausnehmungen 10 begrenzenden Seitenwände 14 der Ausnehmungen 10 sind bezogen auf die Eingreifrichtung der Endabschnitte 12 in die Ausnehmungen 10 der Propellernabe 4 leicht abgeschrägt, sodass sich der Querschnitt der Ausnehmungen 10 mit zunehmender Tiefe der Ausnehmung 10 verringert. Die Form der Endabschnitte 12 der Propellerblätter 6 korrespondiert mit der Form der Ausnehmungen 10.
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Im Bereich der Ausnehmungen 10 sind an der Propellernabe 4 jeweils 4 Durchgangslöcher 16 ausgebildet, die sich ausgehend von der Innenseite der Propellernabe 4 zu der jeweiligen Ausnehmung 10 hin erstrecken. An die Innenseite der Propellernabe 4 angrenzend weisen die Durchgangslöcher 16 jeweils eine zylindrische Erweiterung 18 auf. Korrespondierend zur Position der an der Propellernabe 4 ausgebildeten Durchgangslöcher 16 sind an der der Propellernabe 4 radial zugewandten Seite der Endabschnitte 12 der Propellerblätter 6 jeweils vier Gewindesacklöcher 20 ausgebildet, die sich jeweils in den metallischen Kern 8 der Propellerblätter 6 hineinerstrecken. Die an der Propellernabe 4 ausgebildeten Durchgangslöcher 16 und die an den Endabschnitten 12 der Propellerblätter 6 ausgebildeten Gewindesacklöcher 20 dienen zur Aufnahme von Kopfschrauben 22, mit denen die Propellerblätter 6 mit der Propellernabe 4 verschraubt sind.
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Der Propeller 2 ist an einer mit einem Antriebsmotor wirkungsverbundenen Antriebswelle 24 befestigt. Hierbei ist der Propeller 2 an einem Abschnitt 26 der Antriebswelle befestigt, der konisch ausgebildet ist. An dem Abschnitt 26 der Antriebswelle 24 ist eine Hülse 28 angeordnet. Diese Hülse 28 ist aus Bronze ausgebildet. Korrespondierend zur Form des Abschnitts 26 weist die Hülse 28 ein konisch ausgebildetes Innenvolumen auf. Radial außenseitig ist die Hülse 28 zylindrisch ausgebildet, wobei an einem in 3 linken Ende der Hülse 28 ein radial nach außen vorstehender Ringkragen 30 ausgebildet ist. Umfänglich ist die Hülse 28 von der Propellernabe 4 umgeben, die an dem Ringkragen 30 anliegt.
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Die Hülse 28 wird mittels eines Druckölpressverbandes mit der Antriebswelle 24 drehfest verbunden. Hierfür ist es erforderlich, in einer Fuge 32 zwischen der Hülse 28 und dem Abschnitt 26 der Antriebswelle 24 einen Ölfilm aufzubauen. Um das hierfür erforderliche Öl in die Fuge 32 einleiten zu können, sind zwei Öleinfuhrstutzen 32 vorgesehen, die jeweils durch ein sich radial durch die Propellernabe 4 erstreckendes Durchgangsloch 34 geführt werden und in einem damit fluchtenden und sich radial durch die Hülse 28 erstreckenden Durchgangsloch 36 verschraubt werden. Die Öleinführstutzen 38 und die Durchgangslöcher 36 sind druckdicht abgedichtet, sodass kein Öl in den Kontaktbereich zwischen der Propellernabe 4 und der Hülse 28 eindringen kann. An dem an den Außenumfang der Propellernabe 4 herausragenden Enden der Öleinführstutzen 38 ist jeweils ein Anschluss vorgesehen, über den der betreffende Öleinführstutzen 38 mit einer nicht dargestellten Hydraulikleitung leitungsverbind-bar ist.
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Zur Bildung eines Druckölpressverbandes von Antriebswelle 24 und Hülse 28 ist es erforderlich, die Hülse 28 dann, wenn in der Fuge 32 ein ausreichender Ölfilm ausgebildet und die Hülse 28 radial aufgeweitet ist, in Richtung der zunehmenden Steigung des Abschnitts 26 der Antriebswelle 24 zu verschieben. Hierzu dient eine Presseinrichtung 40, die um einen zylindrischen Abschnitt 42 der Antriebswelle 24, der in 3 links des Abschnitts 26 liegt, herum angeordnet ist. Aus 3 nicht ersichtlich, ist die Presseinrichtung 40 gegen eine Axialbewegung gesichert. An der Presseinrichtung 40 ist ein Ringraum 44 ausgebildet, des sich um die gesamte Antriebswelle 24 herum erstreckt. Dieser Ringraum 44 ist in Richtung der neben der Presseinrichtung 40 befindlichen Hülse 28 offen ausgebildet. Ausgehend von der radialen Außenseite der Presseinrichtung 40 führt eine Ölzufuhrleitung 46 zu dem Ringraum 44. In dem Ringraum 44 ist ein Ringkolben 48 in axialer Richtung der Antriebswelle 24 verschiebbar gelagert. Wird in den Ringraum 44 über die Ölzufuhrleitung 46 Öl eingeleitet, wird der Ringkolben 48 aus der Ringkammer 44 herausgedrückt, wobei die Hülse 28 in Richtung der zunehmenden Steigung des Abschnitts 26 der Antriebswelle 24 verschoben wird.Nach Abbau des Öldrucks in der Fuge 32 verbleiben in der aufgeweiteten Hülse 28 und der aufeweiteten Nabe 4 Umfangsspannungen, die radiale Anpresskräfte erzeugen. Die Anpresskräfte übertragen über Reibung das Antriebsmoment von der Antriebswelle 24 über die Hülse 28 auf die Propellernabe 4.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Propeller
- 4
- Propellernabe
- 6
- Propellerblatt
- 8
- Kern
- 10
- Ausnehmung
- 12
- Endabschnitt
- 14
- Seitenwand
- 16
- Durchgangsloch
- 18
- Erweiterung
- 20
- Gewindesackloch
- 22
- Kopfschraube
- 24
- Antriebswelle
- 26
- Abschnitt
- 28
- Hülse
- 30
- Ringkragen
- 32
- Fuge
- 34
- Durchgangsloch
- 36
- Durchgangsloch
- 38
- Öleinführstutzen
- 40
- Presseinrichtung
- 42
- Abschnitt
- 44
- Ringraum
- 46
- Ölzufuhrleitung
- 48
- Ringkolben
