Kupplung Aktive Kupplung mindert Schwingungen in Schiffsantrieben

Ruhig und elegant dahingleiten – so mögen es die meisten Yachtbesitzer. Brummen und Dröhnen im Bootskörper gehören nicht zum Wohlfühl-Kanon. Leider sind die unerwünschten Nebengeräusche bislang noch oft mit im Spiel. Fraunhofer LBF hat eine aktive Kupplung entwickelt, mit der sich die Akustik im Schiff deutlich ändert und die für weitere Vorteile sorgt.

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Die aktive Kupplung des Fraunhofer LBF im Schiffsantrieb sorgt für eine ruhige Fahrt durchs Wasser.
Die aktive Kupplung des Fraunhofer LBF im Schiffsantrieb sorgt für eine ruhige Fahrt durchs Wasser.
(Bild: Fraunhofer LBF)

Seit Jahren geht der Trend im Schiffsbau dahin, die Emissionen zu reduzieren und die Energieeffizienz zu steigern. Allerdings haben diese Bestrebungen häufig einen erhöhten Eintrag von Torsionsschwingungen in den Antriebstrang zur Folge. Dementsprechend wird es immer aufwendiger, dämpfende elastische Kupplungen auszulegen. Darüber hinaus sind die technischen Grenzen passiver Systeme absehbar. Hier bieten aktive Systeme, wie sie das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF entwickelt hat, ein hohes Potential für zukünftige Anwendungen. Jüngstes Beispiel ist eine aktive Kupplung für Schiffsantriebe, die im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderten Projekts Aktos „Aktive Kontrolle von Torsionsschwingungen durch Kupplungselemente“ in enger Zusammenarbeit mit der Firma Centa Antriebe Kirschey GmbH entstanden ist.

Mit dem neu entwickelten aktiven System ist es gelungen, die vom Motor in das Getriebe eingeleiteten Torsionsschwingungen signifikant zu reduzieren. Damit ist ein großer Schritt dahin getan, die Auslegung von Kupplungen in Schiffsantrieben zu vereinfachen, die Lebensdauer von Komponenten zu erhöhen und Kosten sowie Masse durch den Einsatz kleinerer Komponenten einzusparen. Außerdem verbessert sich die Akustik im Schiff spürbar. Das System wurde auf einem Prüfstand und anschließend in einer Motorjacht untersucht.

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Schwingungsamplitude bis zu 90 % reduzieren

Mit der geregelten aktiven Kupplung lassen sich ordnungsbasierte Anregungen reduzieren. Die Kupplung besteht aus einem passiven Element zur primären Dämpfung und zum Versatzausgleich sowie einem aktiven Teil zur Schwingungskompensation. Dieses aktive Element besteht aus einem Inertialmassenaktor, der sich im rotierenden System befindet und ohne eine Kraftabstützung nach außen auskommt. Die Übertragung der elektrischen Leistung und der Signale erfolgt am Prototyp mit Hilfe von Schleifringen. Geregelt wird das System mit Hilfe eines ordnungsbasierten adaptiven Reglers. Aufbauend auf der Umsetzung des Regelungskonzepts mit Laborelektronik wurde auch eine kompakte mitrotierende Steuerungs- und Leistungselektronik entwickelt und erfolgreich getestet.

Zunächst erprobten die LBF-Wissenschaftler die aktive Kupplung auf einem Prüfstand. Angetrieben wurde der Antriebstrang mit einem V8-Motor mit 500 kW. Zwischen Motorschwungrad und dem Getriebe integrierten die Forscher die aktive Kupplung. Der Propeller wurde mit Hilfe eines hydraulischen Dynamometers simuliert. Im kritischen Zündaussetzerbetrieb ließen sich auf diese Weise bis zu 90 % der Schwingungsamplitude in den kritischen Ordnungen reduzieren.

Testfahrt bestätigt Prüfstandsversuche

Anschließend konnte die aktive Kupplung in einen Antriebsstrang einer zweimotorigen Motorjacht eingebaut und getestet werden. Der umgerüstete Antriebstrang wurde von einem V6-441kW-Dieselmotor angetrieben und war mit einem Getriebe-Propeller-System in Pod-Bauweise ausgestattet. Der Praxistest konnte die überzeugenden Ergebnisse des Prüfstandsversuchs auch unter realistischen Bedingungen in der Yacht bestätigen. Zudem konnten die Wissenschaftler die akustische Relevanz der geregelten aktiven Kupplung im Innenraum der Yacht nachweisen. Auf diese Weise konnten sie im geregelten Fall eine deutlich wahrnehmbare Reduktion des Brummens beziehungsweise Dröhnens der dritten Motorordnung um –6 dB im Schalldruckpegel, verglichen zum ungeregelten Fall, erreichen. (sh)

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