Neukonstruktion der Haltezange und Erweiterung des Messtisches für hydrodynamische Schleppversuche

Abstract

Die Schiffbautechnische Versuchsanstalt Wien (Vienna Model Basin) betreibt einen 200 Meter langen Schleppkanal, welcher der hydrodynamischen Untersuchung von Schiffsmodellen dient. Das ursprünglich in den 1910er Jahren für deutlich kleinere Modelle ausgelegte Haltezangen- und Messtischsystem hat durch den heutigen Einsatz schwerer Modelle seine strukturellen und funktionalen Grenzen erreicht. Sichtbare plastische Verformungen und Verschleiß an der Haltezange sowie eine unzureichende strukturelle Steifigkeit der Umlenkradhalterung beeinträchtigen die Messgenauigkeit. Darüber hinaus erfordert die Handhabung großer Modelle eine zeitaufwendige vollständige Demontage der Haltezange.In der vorliegenden Arbeit wird die vollständige Neukonstruktion der Haltezange sowie die Erweiterung des Messtischsystems präsentiert. Die maßgebenden Bemessungslasten wurden auf Basis experimentell gemessener Schleppwagenbeschleunigungen (maximal 0,653 m/s2 Anfahrt; 0,768 m/s2 Bremsen) sowie einer hydrodynamischen Widerstandsanalyse ermittelt. Die mitbewegte Masse, auch als Added Mass bezeichnet, wird gemäß der konservativen Herangehensweise mit einem Zuschlag von 10 Prozent angesetzt. Dies resultiert in einer effektiven Auslegungsmasse von 5500 Kilogramm. Die ermittelten maximalen Trägheitskräfte belaufen sich auf 3600 N während der Anfahrt sowie 4250 N während des Bremsens. Der hydrodynamische Widerstand des 5-Tonnen-Referenzmodells wurde mittels der Guldhammer-Harvald- und der Holtrop-Mennen-Methode berechnet und hinsichtlich der Größenordnung durch eine Plausibilitätsprüfung an 149 historischen Modellmessungen der Versuchsanstalt abgesichert. Der konservativ angesetzte Bemessungswiderstand beträgt 1500 N (Froude-Zahl Fr = 0,40). Der kritische Bemessungsfall für den Betätigungsmechanismus ergibt sich aus der Überlagerung der Trägheitskraft mit dem hydrodynamischen Widerstand, wobei die Maximalwerte beider Lastkomponenten physikalisch nicht gleichzeitig auftreten.Die entwickelte Haltezange ist mit einem dreiachsigen Positionierungssystem ausgestattet, welches eine manuelle Längsverstellung entlang bestehender Montageschienen (in Fahrtrichtung) ermöglicht. Zudem ist sie mit einem Einzelschienen-Linearführungssystem mit Rollenwagen für die laterale Positionierung sowie einem motorisierten Spindelantrieb mit doppelter Kugelbüchsenführung für die Vertikalverstellung ausgestattet. Die tragende Rahmenkonstruktion aus geschweißten Stahlprofilen zeichnet sich durch eine hohe Steifigkeit bei kompakten Abmessungen aus. Der Betätigungsmechanismus besteht aus einer feststehenden Innenbacke und einer schwenkbaren Außenbacke, die über einen vierstufigen Getriebezug betätigt wird. Der Kettentrieb (Übersetzung 32:11) dient der Drehmomentübertragung über den verfahrbaren Weg quer zur Fahrtrichtung, während zwei Kegelradpaare der Achsumlenkung und ein Stirnrad-Hohlradsegment-Paar der abschließenden Untersetzung dienen. Die Lagerung der Getriebewellen erfolgt ausschließlich unter Einsatz von Gleitlagern. Dies ist dadurch bedingt, dass die Betriebsbedingungen – geringe Drehzahlen und keine vollständigen Umdrehungen – den Einsatz von Wälzlagern nicht erfordern.Die strukturelle Integrität der Konstruktion wurde durch umfangreiche Festigkeitsnachweise nach einschlägigen Normen bestätigt. Gemäß DIN 743 weisen die Wellenberechnungen für alle vier Getriebewellen ein ausreichendes Sicherheitsniveau auf. FEM-Analysen validieren die Rahmenstruktur und die Außenbacke unter maximalen Betriebslasten. Darüber hinaus wurden die kritisch belasteten Schraubenverbindungen gemäß VDI 2230, der Kettentrieb nach ISO 606 und die Passfederverbindungen nach DIN 6892 dimensioniert. Es konnte festgestellt werden, dass sämtliche Bauteile die geforderten Mindestsicherheiten erfüllen. Eine lokale Spannungsüberschreitung an einem Quadratrohrprofil wurde durch eine aufgeschweißte Verstärkungsplatte behoben.Für den Messtisch wurde die Umlenkradkonstruktion als steife, dreieckige Auslegerträger-Konstruktion aus geschweißten Stahlprofilen neu gestaltet. Die gewählte Konstruktion weist eine erheblich höhere Kippsteifigkeit auf und reduziert mechanische Schwingungen im Messsignal. Die konstruktive Ausführung erlaubt zudem eine werkzeugarme Entnahme der Umlenkradeinheit aus dem Arbeitsbereich des Messtisches. Der Nachweis der Festigkeit der Umlenkradkonstruktion erfolgt mittels Finite-Elemente-Methode.Die Anbindung der 6-Komponenten-Kraftmessdose an den Messtisch erfolgt mittels zweier Stahlprofile, welche als Adapter zwischen dem Flanschanschluss der bestehenden Linearführung und dem Messtischrahmen fungieren. Die Dimensionierung erfolgt analytisch als Träger auf zwei Stützen, wobei die Schraubenverbindung am Flansch gemäß VDI 2230 nachgewiesen wird.

The Vienna Model Basin operates a towing tank of 200 m length for hydrodynamic testing of ship models. The existing clamping and measuring-table system, originally designed in the 1910s for much smaller models, has reached its structural and functional limits due to the use of heavy modern models, exhibiting plastic deformation, wear, and insufficient stiffness.This thesis presents the complete redesign of the clamping jaw and an extension of the measuring table system. Design loads were derived from experimentally measured carriage accelerations and a hydrodynamic resistance analysis, yielding an effective design mass of 5500 kg (including a 10% added-mass allowance), peak inertial forces of up to 4250 N, and a design resistance of 1500 N at a Froude number of Fr = 0.40.The new clamping jaw features a three-axis positioning system with manual longitudinal adjustment, a single-rail linear guide for lateral positioning, and a motorised lead-screw drive for vertical adjustment. The actuation mechanism consists of a fixed inner jaw and a pivoting outer jaw driven by a four-stage gear train comprising a chain drive, two bevel-gear pairs, and a spur-gear/ring-gear-segment stage. Structural integrity was verified by shaft calculations according to DIN 743, FEM analyses of the frame and outer jaw, and fastener assessments per VDI 2230.For the measuring table, the deflection-wheel support was redesigned as a stiff, triangular cantilever structure with significantly improved tipping stiffness, validated by FEM. The connection of the six-component force balance was realised via steel-profile adapters, dimensioned analytically.