DE102021006269A1

DE102021006269A1 - Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung bei leichten schwimmenden Plattformen

Info

Publication number: DE102021006269A1
Application number: DE102021006269.8A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Bietenbeck Hans Josef
Current assignee: Bietenbeck Hans Josef De
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2023-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Schwingungsdämpfung bei schwimmenden Plattformen mit einer oder mehreren Schwimmkörperreihen. Die Vorrichtungen bestehen aus mehreren dünnwandigen, plattenförmigen Flächenelementen, welche unterhalb der Wasseroberfläche und parallel zur Wasseroberfläche angeordnet sind und fest mit der schwimmenden Plattform verbunden sind. Die Wirkungsweise der Flächenelemente beruht auf ihrer hydrodynamischen Widerstandskraft bei Auf- und Abwärtsbewegung im Wasser, hervorgerufen durch Schwingungen der Plattform. Die Flächenelemente können entweder direkt fest mit den Schwimmkörpern oder der Plattform verbunden sein oder durch bewegbare und arretierbare weitere Zusatzvorrichtungen wie drehbare Lagerung, Schubstangen, Wellen, Hülsen, ein- oder zweiteilige Schwenkarme usw. in eine feste 3D-Position ausserhalb der Umrandung der Plattform gebracht werden (Anspruch 1-5). Bei Nichtgebrauch lassen sich die Elemente wieder zu einer kompakten Form einschwenken und arretieren. Die Flächenelemente können entweder einteilig ausgeführt sein oder durch rotatorische Fächerung, durch translatorische Fächerung oder durch gleichmäßige Faltung von Einzelelementen in Verbindung mit Scherengittern erzeugt werden (Anspruch 6-9). Die gesamten Vorrichtungen, bestehend aus den Flächenelementen und evtl. weiteren Zusatzvorrichtungen, lassen sich, bezogen auf die Schwimmkörper und die Plattform, entweder ganz oder teilweise integrieren oder in modularen Baugruppen aufbauen (Anspruch 10).

Description

Einordnung in technisches Umfeld und Problemstellung
Leichte, schwimmende Plattformen, im folgenden mit SP abgekürzt, werden in zunehmendem Maße im Freizeitbereich als Hausboote eingesetzt. zeigt den prinzipiellen und beispielhaften Aufbau einer solchen SP in verbreiteter Zweirumpf-Bauweise (Katamaran) mit den Grundelementen Schwimmkörper, Plattform ,Antrieb und Richtungssteuerung und Aufbau in den typischen Abmessungen Länge x Breite ca. 8m x 3m und einer typischen Eigenmasse von ca. 3,5 bis 6 Tonnen. Ähnlich wie z.B. bei Personenkraftwagen unterliegen auch SP einer behördlichen Zulassung, welche u.a. die maximale Zuladung sowie die maximale Personenzahl festlegt. Bei einer Normmasse von 75 kg pro Person und 5 Personen ergibt sich somit eine Zuladung von 375 kg, welche im Verhältnis zur Eigenmasse von angenommenen 3,75 Tonnen der SP ein Zahlenverhältnis von 1:10 ergibt. Hinzu kommt die Tatsache, dass es sich nicht um eine statische, sondern um eine dynamische Zuladung handelt, weil die angenommenen 5 Personen entweder einzeln oder gruppenweise beim Betreten oder Verlassen der SP an einer dafür vorgesehenen Stelle bedingt durch ihre natürliche Gleichgewichtsverlagerung beim Übergang von „fester Boden“ auf „schwimmend“ oder umgekehrt die Gesamtzuladung von 375 kg nicht statisch aufbringen, sondern impulsförmig. Diese impulsförmige Schwingungsanregung führt zu einer Schwingungsreaktion der SP, welche je nach Größe und zeitlichem Zusammentreffen von Impuls und Schwingungsphase der SP mehr oder weniger stark ausgeprägt ist und in ihrer Abklingkurve ohne weitere Maßnahmen im allgemeinen nur schwach bedämpft ist. Diese so verstärkte Schwingung der SP wird von den Passagieren als überwiegend unangenehm empfunden und kann bei sensiblen und älteren Personen zu einer massiven Beeinträchtigung des Wohlbefindens und des Sicherheitsgefühls führen. Auch ist es so, dass der Abstand von „fester Boden“ auf „schwimmend“ nicht spaltfrei ist, sondern in der Regel ein Abstand von ca. einer Schrittlänge durch Einsatz von Schutzelementen der SP (sog. Fender) vorhanden ist. Dadurch besteht erhöhte Verletzungsgefahr durch Fehltritt, Abrutschen und Einklemmen. Außer den beschriebenen Betriebszuständen „festgemacht“ und „Betreten oder Verlassen von Personen“ gibt es noch die weiteren Betriebszustände „Fahrt“ und „freischwimmend ruhend“. Bei Fahrt einer leichten SP bei Wellengang ergeben sich aufgrund geringer Masse und geringen Massenträgheitsmoments ausgeprägte und deutlich wahrnehmbare Schwingungsbewegungen. Auch im Betriebszustand „freischwimmend ruhend“ ohne Wellengang entstehen durch Hin-und Herbewegung von Personen an Bord oder Verlassen der SP z.B. zum Schwimmen Schwingungen der SP, welche zumindest als störend empfunden werden.
Aufgabenstellung und Stand der Technik
Die Aufgabe besteht darin, die natürlichen und erzwungenen Schwingungen einer SP aus oben aufgeführten Gründen möglichst effektiv zu bedämpfen. Dabei gehört es explizit nicht zur Aufabenstellung, dieses Ziel mithilfe von festen Bezugsbasen unter Wasser wie z.B. See- oder Flussgrund oder mithilfe von festen Bezugsbasen an Land wie z.B. Kaimauern oder Anlegestegen zu erreichen. Zahlreiche solcher Lösungen sind bekannt. Ebenfalls gehört es explizit nicht zur Aufgabenstellung, die Bedämpfung ausschließlich bei Fahrt zu erreichen. Auch diese Lösungen sind von Einrumpf-Schiffen her bekannt, z.B. als sogenannte „Stabilizer“, welche aussen am Schiffsrumpf von Kreuzfahrtschiffen angebracht sind oder z.B. auch als innere Systeme, welche nach dem Prinzip der Masseverlagerung von Flüssigkeiten arbeiten. Außerdem wird derjenige Stand der Technik außer acht gelassen, der nicht explizit und primär die Aufgabenstellung Schwingungsdämpfung verfolgt, sondern bei dem die Schwingungsdämpfung zu den unbeabsichtigten Nebeneffekten gehört, beispielsweise bei Zentralschwertern bei Einrumpf-Segelschiffen, deren Zielsetzung primär das Verhindern der Abdrift ist und die zumindest in einer Richtung strömungsgünstig gestaltet sind. Aufgabe ist es also, die Bedämpfung einer SP primär im freischwimmenden und ruhenden Zustand zu erreichen. Falls es darüber hinaus gelingt, gleichzeitig auch noch den Betriebszustand „Fahrt“ positiv zu beeinflussen, so wäre dies natürlich umso besser. Die meisten Lösungsvorschläge mit dieser Zielsetzung beruhen entweder auf gravimetrischen oder auf gyroskopischen Ansätzen. In der DE 1020 110 17 438A1 wird z.B. ein überwiegend gravimetrisches System beschrieben, welches die Wellenbewegungen durch kinematische Entkopplung von den an Bord befindlichen Personen fernhalten soll. Durch die kinematische Entkopplung auf Teilkreisschienen entsteht jedoch prinzipiell ein weiteres, neues Schwingungssystem, welches seinerseits mit einfachen Mitteln wie nur den vorgeschlagenen Dämpfern nicht zufriedenstellend zu beruhigen ist. Dieses neu erzeugte, weitere Schwingungssystem benötigt, wie der Erfinder selbst vorschlägt, variable Dämpfung und/oder schnell arbeitende Stellmotoren plus eine Sensorik/Steuergerät für die Wellenbewegung und für die Aufbaubewegung. Positiv bei einem solchen erweiterten System, welches über die Beschreibung und die Ansprüche in der DE 1020 110 17 438A1 hinausgeht, wäre, dass der Boden des Aufbaus zumindest in einer Achse in Ruhe bleibt. Negativ ist die Tatsache, dass diese Regelung lediglich um die Längsachse der SP funktioniert und der insgesamt hohe technische Aufwand. Dieser und weitere Nachteile sollen mit der erfindungsgemäßen Lösung vermieden werden.
Der erfindungsgemäße Lösungsvorschlag besteht in einem oder mehreren dünnwandigen, plattenförmigen Elementen,welche unterhalb der Wasseroberfläche und parallel zu dieser angeordnet sind und fest mit der SP verbunden sind ( , Einzelheit 1 und 2). Diese Elemente können ebenfalls in die Schwimmkörper integriert werden (Einzelheit b). Die konstruktive Ausgestaltung dieser Elemente sowie deren Anzahl und Anordnung relativ zur SP werden aus den allgemeinen Grundsätzen der Physik und der Strömungslehre abgeleitet. Wichtigste Grundlage der Bedämpfung in kompressiblen und inkompressiblen Medien mit freier Anströmung ist der Proportionalitäts-Zusammenhang zwischen der Widerstandskraft F_w (entspricht Dämpfungskraft ), der Dichte des umgebenden Mediums (Dichte Wasser), der Projektionsfläche A des Körpers senkrecht zur Anströmungsrichtung und der Strömungsgeschwindigkeit v. in einer um den Formfaktor c_w des Körpers erweiterten Form ergibt sich daraus die Größengleichung: $F_{w} = c_{w} \times A \times rho / 2 \times v^{2}$
Eine weitere Grundlage ist der formelmäßige Zusammenhang zwischen der Umfangsgeschwindigkeit v eines Körpers um seine Rotationsachse, der Winkelgeschwindigkeit omega in Bezug auf diese Rotationsachse und dem Abstand r des Körpers von dieser Rotationsachse: $v = omega \times r$
Eine weitere Grundlage besteht in der Summation von Einzelkräften (F₁, F₂, F_x) bzw. Einzelmomenten (M₁ ,M₂, M_x) zu einer resultierenden Gesamtkraft (F_ges) bzw. zu einem resultierenden Gesamtmoment (M_ges): $\begin{array}{l} F_{ges} = F_{1} + F_{2} + \dots F_{x} \\ M_{ges} = M_{1} + M_{2} + \dots M_{x} \\ M_{1} = F_{1} \times r_{1}, M_{2} = F_{2} \times r_{2} \dots \dots \end{array}$
Fokussiert man im folgenden die einzelnen physikalischen Einflussgrößen der Gleichungen 1-3 und priorisiert diese gleichzeitig in der Reihenfolge zunehmender Bedeutung für die Bedämpfung einer SP, so ergibt sich folgende Aufstellung, welche rückwirkend die Funktionsweise der in dargestellten Anordnung erklärt und den Ansatz für weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen liefert :

• Dichte des Wassers rho: wird als vorgegebene, unveränderliche physikalische Größe angenommen.
• Winkelgeschwindigkeit omega der SP um eine Längsachse oder Querachse: wird mit/ohne Bedämpfung und mit/ohne Zuladung aufgrund der Masseverhältnisse als nahezu konstant angenommen.
• Geschwindigkeit v: leitet sich aus der Winkelgeschwindigkeit omega der SP um eine Achse und einem konstruktiv festzulegenden Abstandsmaß r ab. Die Wirkungslinie des Vektors v ist keine Grade, sondern der Ausschnitt eines Kreisbogens. Um die Wirkungslinie des Vektors v einer Graden anzunähern, zusätzlich den Zahlenwert des Vektors v zu erhöhen und unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Größe v in der relevanten Gleichung 1 für die Dämpfungskraft in quadratischer Form auftaucht, sollte das/die Abstandsmaß/e r auf ein konstruktiv realisierbares Maximum gesetzt werden.
• Hebelarmlänge r: weil die Hebelarmlänge r über die Zwischengröße v quadratisch in die zahlenmäßige Größe der Widerstandskraft F_w eingeht, sollte die Hebelarmlänge r auf ein konstruktiv realisierbares Maximum gesetzt werden (siehe Punkt 3).
• Aufteilung und Größe der Gesamtwirkfläche A in Einzelwirkflächen: muss nach konstruktiven Gesichtspunkten und dem angestrebten Grad der Bedämpfung festgelegt werden.
• Formfaktor c_w: im Gegensatz zu den vorangegangenen 5 Punkten dieser Auflistung bedarf dieser 6.Punkt einer eingehenderen, separaten Beschreibung im direkten Anschluss

Zu Punkt 6, Formfaktor c_w: es ist Stand der Wissenschaft, dass das Maximum des Formfaktors c_w durch eine dünnwandige, ebene,scharfkantige Platte realisiert wird. Dabei spielt die äußere Kontur der Platte (rund oder rechteckig) keine Rolle. Vorteilhaft im Sinne einer Schwingungsdämpfung ist, dass sich dieser Zahlenwert bei Strömungsumkehr (Aufwärts-oder Abwärtsbewegung einer Platte in ruhendem Medium) nicht ändert. Weiterhin gibt es Untersuchungen, wonach sich der Strömungswiderstand einer ebenen, dünnwandigen, scharfkantigen Platte steigern lässt, indem die Platte bei ansonsten gleichen äußeren Abmaßen innerhalb ihrer Fläche mit länglichen Schlitzen versehen wird, solange diese Schlitze einen Flächenverlust von ca. 5% der Gesamtfläche nicht überschreiten. Der Strömungswiderstand einer solchen geschlitzten Platte lässt sich nochmals steigern, indem die überwiegend turbulente Schlitzströmung , welche an sich die Ursache für die Steigerung des Gesamtwiderstandes der ansonsten gleichen Platte ist, nicht mit der Richtung der Anströmung identisch ist, sondern um 1x90 Grad, 2x90 Grad bzw. 3x90 Grad umgelenkt wird. Mit diesen insgesamt 6 Punkten als Leitfaden ergeben sich vielfältige Ausgestaltungsmöglichkeiten für weitere Lösungsvorschläge zusätzlich zu .
Die zeigt eine Anordnung, bei der die Flächen 1 und 2 der ersetzt werden durch Flächen 3,4,5 und 6, welche mittels einer drehbaren Lagerung 7 mit der SP verbunden sind. Diese drehbare Anbindung der Flächen an die SP kann zusätzlich noch absenkbar ausgeführt sein. Damit ergeben sich für eine einzelne Fläche 4 Betriebszustände: eingeklappt, ausgeklappt, angehoben, abgesenkt, in denen die Flächen jeweils arretiert werden müssen, um deren feste Verbindung mit der SP zu gewährleisten. Der offensichtliche Vorteil dieser Anordnung gegenüber der Anordnung in liegt darin, dass die vier einzelnen Flächen bei ruhender SP jeweils in eine für die Bedämpfung der SP optimale Position ausgeklappt werden können, während sie bei fahrender SP eingeklappt bleiben können, um so die Vorteile von kompakten Unterwasser-Abmaßen der SP weiter aufrecht zu erhalten.
Die zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Lösungsvorschlag, bei dem eine einzige Platte 3 am jeweiligen tiefsten Punkt des linken und des rechten Schwimmkörpers jeweils fest mit diesem verbunden ist und in ihrer Erstreckung in Längsrichtung (Fahrtrichtung) die vorgegebenen Abmaße der beiden Schwimmkörper nicht überschreitet. Gemäß der Zielsetzungen der Erfindung und insbesondere der weiter oben aufgeführten 6Punkte-Aufstellung ergeben sich folgende Vor- bzw. Nachteile: Vorteile sind die geringe Komplexizität (1 Bauteil), die Linien-Befestigung der Platte an 2 gegenüberliegenden Seiten, wodurch sich geringere Anforderungen an die Struktursteifigkeit (Biegung) der Platte ergeben im Vergleich zu einer einseitigen oder mittigen Linienbefestigung der Platte, und letztlich die Tatsache, dass der Unterwasser-Freigang der SP nahezu nicht beeinträchtigt wird. Nachteil dieser Anordnung einer einzelnen Platte ist, dass die Platte die zur Bedämpfung notwendige transversale, lineare Bewegung nicht vollständig abbildet, sondern es sich im Prinzip um eine Drehbewegung um die Längsachse oder um die Querachse der SP handelt. Damit tragen nur die äußeren Randbereiche der Platte, in denen eine ausgeprägte,transversale Hubbewegung in annäherend einer Ebene stattfindet, zur Bedämpfung der SP bei. Außerdem verhindert die Längsanbindung der Platte die Ausbildung von turbulenten Kantenströmungen, welche für das erfindungsgemäße Dämpfungskonzept elementar sind. Bei den angenommenen Abmaßen der SP (Länge > Breite) werden die kritischeren Schwingungen um die Längsachse der SP so nicht wirkungsvoll bedämpft. Daher wird der Lösungsvorschlag in ab hier nicht weiter in Betracht gezogen.
Die zeigt einen erfindungsgemäß weiteren Lösungsvorschlag. Der Unterschied zu den Lösungsvorschlägen in den und besteht darin, dass die vertikale Rotationsachse 7 der in eine horizontale Rotationsachse 5 übergeht. In schematisierter Form sind in der oberen Heckansicht die 2 Betriebszustände „außer Betrieb“ (links) und „in Betrieb“ (rechts) dargestellt. Die an der tiefsten Stelle der Schwimmkörper befindliche drehbare Lagerung 5 ermöglicht die Drehbewegung der Platten 4 Die Platten 4 werden von der Oberfläche der SP aus bedient,d.h.geschwenkt und arretiert durch biegesteife Schubstangen 7, welche ihrerseits in jeweils drehbaren Lagerungen 6 an den Platten 4 befestigt sind. Die Aufnahmehülsen 8 der Schubstangen 7 müssen aufgrund der sich ergebenden Kinematik der Drehbewegung ebenfalls in einer Drehvorrichtung 6 gegenüber der Plattform gelagert sein. Die biegesteifen Schubstangen 7 können im einfachsten Fall z.B. aus handbetriebenen Spindeln bestehen, welche in ihren Endpositionen arretierbar sind. Die Darstellung „außer Betrieb“ zeigt jedoch deutlich, dass hier zweckmäßigerweise andere Detaillösungen eingesetzt werden sollten, z.B. motorisch betriebene und teleskopierbare Elemente. Die Anordnung gem. bietet im wesentlichen 2 Vorteile: im Betriebszustand „außer Betrieb“ sind die Unterwasser-Abmaße kompakt und im Betriebszustand „in Betrieb“ wird die Eintauchtiefe der Platten 4 gegenüber der Anordnung in konstruktiv um das Maß h1 vergrößert. Diese insgesamt höhere Eintauchtiefe kann zu besseren Stömungsverhältnissen bei uneingeschränkter Wassertiefe führen. Bezüglich der Grundfunktionalität „Ausbildung turbulenter Kantenströmungen“ ist die Anordnung gern. ungünstiger einzustufen als die bisher gemachten Vorschläge in und in . Die zuvor erläuterten Nachteile der Anordnung gem. treten auch in in abgeschwächter Form auf. Während es in der Anordnung nach nur 2 von 4 frei umströmten Körperkanten eines plattenförmigen Elements gibt, weist die Anordnung gem. zumindest 3 von 4 frei umströmte Körperkanten eines Elements auf, kommt aber damit nicht an die idealen Bedingungen der und heran, bei denen alle 4 Körperkanten bzw. die komlette Außenkontur der jeweiligen Flächen frei umströmt sind.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Lösungsvorschlag ist in der dargestellt. Hier werden die zur Bedämpfung der SP notwendigen Flächen durch rotatorische Fächerung von Einzelelementen erzeugt, welche im Betriebszustand „ausgefächert“ in der vertikalen Projektion eine geschlossene Kreisfläche ergeben und im Betriebszustand „eingefächert“ zu einem kompakten Paket der Einzelelemente übereinander gestapelt sind. Das Ausfächern zu einer geschlossenen Kreisfläche bzw. das Einfächern zu einem kompakten Paket erfolgt dabei mitteles eines in der vertikalen Ansicht relativ zur Plattform festpositionierten Endelements und eines rotatorisch gelagerten Führungselements, welches sich in einem Winkelbereich von annähernd 360 Grad kontrolliert bewegen läßt. Die ebenfalls rotatorisch gelagerten Zwischenelemente werden beim Aus/Einfächern z.B. vom Führungselement formschlüssig mitgeschleppt, wobei sich jeweils 2 benachbarte Zwischenelemente gegenseitig mitschleppen. Die Verbindung zweier benachbarter Elemente untereinander besteht in diesem Fall z.B. in einer formschlüssigen Nut/Zapfen-Verbindung in vertikaler Ebene, welche in Umfangsrichtung ausgerichtet ist und einen begrenzten Winkelbereich zulässt. Die Grenzen des Winkelbereichs ergeben sich aus den jeweiligen Positionen zweier benachbarter Elemente im Zustand „ausgefächert“ und im Zustand „eingefächert“. Damit wird erreicht, dass alle Elemente in den beiden Betriebszuständen definierte Winkelpositionen einnehmen. Bei den in , Einzelheiten 15 und 16 dargestellen Zwischenstufen 50%-ausgefächert und 75%-ausgefächert können die Zischenelemente in diesem Beispiel der Mitnahme demnach nach dem Zufallsprinzip undefinierte Positionen (z.B. hervorgerufen durch unterschiedliche Reibung) einnehmen, was die Funktion der gesamten Anordnung solange nicht beeinflusst, wie diese Zwischenstufen nicht als Endposition vorgesehen werden. Außer dieser vorgeschlagenen Nut/Zapfen-Verbindung zur Mitnahme von Führungselement und den Zwischenelementen gibt es noch weitere kontruktive Möglichkeiten, z.B. eine zentrale Mitnahme, welche in einem engen Bereich um den Mittelpunkt der ausgefächerten Fläche angeordnet ist. Diese Form der Mitnahme basiert ebenfalls auf dem Nut/Zapfen-Prinzip, wobei die Überdeckung von Nut und Zapfen im oben beschriebenen Prinzip in vertikaler Ebene angeordnet ist und die Überdeckung bei der zentralen Mitnahme in horizontaler Ebene angeordnet ist. Nut und Zapfen sind in diesem Fall in die Welle ( , Teil 12) bzw. in die Mittenbohrung der Einzelelemente ( ) integriert. Auf eine weitere bildliche Darstellung einer zentralen Mitnahme wird im Rahmen dieser Beschreibung verzichtet, weil sowohl die oben beschriebene Mitnahme wie auch die zentrale Mitnahme als Detaillösungen zum Stand der Technik gehören.
In der ist weiterhin außer der Welle 12 die Hülse 11 skizziert, welche fest mit der Plattform verbunden ist, fest mit dem Endelement der rotatorisch gefächerten Fläche 13 verbunden ist und mit ihrem Längenmaß sowie ihrer Positionierung auf der Plattform die Position der Dämpfungsflächen unterhalb der Wasseroberfläche relativ zur SP festlegt. In der Hülse 11 befindet sich die drehbar gelagerte Welle 12, welche mit dem Führungselement der rotatorisch gefächerten Fläche 13 verbunden ist und von der Oberfläche der Plattform aus auf unterschiedliche Arten (von Hand, elektrisch usw.) bedient und arretiert werden kann. In der oben ist weiterhin eine angehobene und eine abgesenkte Position der Fläche 13 dargestellt. Um diese unterschiedlichen Positionen konstruktiv realisieren zu können, müssen sowohl die Welle 12 als auch die Hülse 11 teleskopierbar, arretierbar und drehmomentübertragend ausgeführt sein. Dies ist möglich, indem die Welle 12 nicht als vollmassive Welle, sondern ebenfalls als Hülse ausgestaltet wird (Hülse in Hülse). Solche konstruktiven Detaillösungen sind ähnlich wie bei den oben genannten Nut/Zapfenverbindungen ebenfalls bekannt und werden deshalb hier nicht weiter bildlich dargestellt und erläutert.
In der ist der ausgefächerte Zustand eines beispielhaften 9-Elemente-Pakets, bestehend aus 8 waagerechten Elementen und einem vertikalen Element, in der ebenen Abwicklung dargestellt. Hieraus ist abzuleiten, dass zur Erzeugung einer geschlossenen Kreisfläche mit 8 waagerechten Einzelelementen die Überdeckung der einzelnen Zwischenelemente untereinander sowie ein zusätzliches vertikales Element notwendig ist. Die Überdeckungen der Zwischenelemente untereinander sind aus Gründen der Bauteiltoleranzen sowie aus Gründen der Positionstoleranzen notwendig. Das zusätzliche vertikale Element ist notwendig, um den Höhenunterschied zwischen Führungselement und Endelement zu einer geschlossenen Fläche zu schliessen. Weitere Einzelheiten zu der Auslegung der einzelnen Elemente folgen weiter unten in dieser Beschreibung. Die zeigt das beispielhafte 9-Elemente-Paket im eingefächerten Zustand. Hier ist ersichtlich, dass der Gesamtversatz v aller Elemente untereinander ein minimal erzielbares Kompaktmaß b verhindert. In den und ist deshalb dargestellt, dass dieser Einzelversatz der Elemente untereinander und der daraus resultierende Gesamtversatz v nicht zwingend erforderlich sind, sondern von konstruktiven Detaillösungen abhängen. Das bedeutet, dass ein theoretisch minimales Kompaktmaß des eingefächerten Pakets ( , Teil 14) in der Größe der Summe der Querschnittsflächen aller beteiligten Elemente möglich ist.
In der bisherigen Beschreibung des Lösungsansatzes „Erzeugung einer geschlossenen Kreisfläche durch rotatorisches Ein/Ausfächern von Einzelelementen" ( , , , , und ) wurde von geometrisch identischen Elementen ausgegangen. Diese Einzelelemente sind zudem aus homogenem Plattenmaterial konstanter Dicke hergestellt. Bei der Positionierung dieser Einzelelemente im Zustand „ausgefächert“ wurde von gleichmäßigen Überdeckungen der Elemente untereinander ausgegangen. Damit ergibt sich zunächst ein prinzipiell identisches Verformungsverhalten aller Elemente auch bei dynamischer,alternierender, beidseitiger Druckbelastung der geschlossenen Kreisfläche, d.h. die Kreisfläche bleibt auch bei Druckbelastung und den damit verbundenen Verformungen geschlossen. Eine Ausnahme bildet lediglich die Nahtstelle zwischen Führungselement, vertikaler Platte und Endelement. Deshalb muss die vertikale Platte komplett separiert werden und separat zwischen Führungselement und Endelement gelagert sein. Um im Zustand „ausgefächert“ unter Druckbelastung vertikal spaltfrei zu den Nachbarelementen zu bleiben (siehe ) ,muss die vertikale Höhe dieser Platte so bemessen sein, dass die maximale Durchbiegung von Führungselement und Endelement in beide Vertikalrichtungen spaltfrei abgedeckt wird. Auch bei dem Führungselement und bei dem Endelement sind evtl. konstruktive Anpassungen notwendig, um deren Kontaktstelle zu den jeweiligen Zwischenelementen unter allen Betriebsbedingungen spaltfrei zu halten.
Im Punkt 6 der zu Beginn aufgeführten 6-Punkte-Aufstellung wurde darauf hingewiesen, dass Schlitzungen und Strömungsumlenkungen in Schlitzen von beispielsweise 90 Grad, 180 Grad oder 270 Grad die dynamische Dämpfungswirkung einer geschlossenen Platte nochmals erhöhen. Eine einfache Schlitzung wurde bereits bildlich vorgestellt (siehe ). Weitere Möglichkeiten sind in den und dargestellt. Darin ist der Querschnitt der Einzelelemente abweichend von der bisherigen Annahme nicht konstant, sondern veränderlich, wodurch ein verändertes Verformungsverhalten gegenüber Elementen aus konstanter Dicke erreicht wird, d.h. ein Spalt wird zumindest in einer Druckbelastungsrichtung kontrolliert generiert. Allerdings ist der veränderliche Querschnitt nicht mit dem Prinzip der rotatorischen Fächerung kompatibel. In ist die Draufsicht auf ein Fächerelement gezeigt, welches im rechten Teilbereich Schlitzungen aufweist. Diese Schlitze schwächen gezielt die Strukturfestigkeit der ebenen und homogenen Platte im rechten Bereich, was die statische Festigkeit der Platte betrifft und ebenfalls nicht weiter untersuchte Auswirkungen bei dynamischer Druckbelastung hat. In ist eine 270 Grad- Umlenkung stark schematisiert dargestellt. Es ist zu erkennen, dass diese Anordnung mit dem bisher vorgestellten Konzept der rotatorischen Fächerung ebenfalls nicht kompatibel ist. Deshalb werden Schlitzungen, Strömungsumlenkungen, veränderliche Querschnitte und gezielte Profilschwächungen ab hier nicht weiter in Betracht gezogen.
Neben den Realisierungsmöglichkeiten einer geschlossenen Fläche (einteilig oder durch rotatorische Ausfächerung erzeugt) wurden bereits vertikale, parallele Positionsveränderungen und Schwenkbewegungen der Flächen bildlich angedeutet ( , ). Die in dargestellte Kinematik wurde gesondert betrachtet, weil durch die Drehung der Flächen erst die Parallelität zur Wasseroberfläche erzeugt wird. Gemäß der 6-Punkte-Liste gibt es einen festen Zusammenhang zwischen der Gesamtgröße der einzelnen Flächen und deren räumlichem Abstand zur SP. Die Größe der einzelnen Flächen ist konstruktiv variabel. Deren optimale Positionierung über die Randbereiche der Plattform hinaus basiert auf einer vollständigen 3-Achsen-Beweglichkeit der Flächenmittelpunkte und ist mit gängigen technischen Lösungen zu erreichen. In der ist z.B. eine Anordnung dargestellt, bestehend aus horizontal drehbar gelagerten Schwenkarmen und vertikal teleskopierbaren Elementen an deren Endpunkten. Diese Anordnung erfüllt noch nicht die Voraussetzungen einer vollständigen 3D-Flexibilität, sondern ermöglicht nur Positionierungen der Flächenmittelpunkte auf einem Kreiszylinder relativ zur SP. Diese eingeschränkte 3D-Flexibilität kann aber in der Praxis durchaus ausreichend sein. Desweiteren zeigt den Betriebszustand „eingefahren“ innerhalb der Schwimmkörper und eine modulare Bauweise der 4 Dämpfungsvorrichtungen als Abschluss-Baugruppen der beiden Schwimmkörper.
zeigt eine Anordnung, bei der die für optimale Dämpfung ausreichende 3D-Flexibilität eines Flächenmittelpunkts innerhalb eines Teilbereichs eines Volumens, welches annähernd einem Hohlzylinder gleicht, ermöglicht wird durch horizontale Bewegung einer Schiene in Richtung Querachse der SP, horizontale Drehung eines Schwenkarms um den Endpunkt der Schiene und vertikale Absenkung eines teleskopierbaren Elements am Endpunkt des Schwenkarms.. Die Befestigung der Schienen und der dazugehörigen Führungen erfolgt in diesem Fall an der Unterseite der Plattform. Dazu müssen die Schwimmkörper eventuell an deren Oberseite entsprechende Aussparungen aufweisen. Die Anordnung in der ist überwiegend an den Aussenseiten der Schwimmkörper angeordnet, was die Vermeidung eventueller Kollisionen mit der Antriebs- und Richtungssteuerung der SP (siehe und ) begünstigt. Desweiteren können hier die eingefächerten Lagen der kreisförmigen Dämpfungselemente auf geringen Strömungswiderstand in Fahrtrichtung der SP abgestimmt werden.
Die zur Erzeugung der Dämpfungswirkung notwendigen dünnwandigen, plattenförmigen Elemente können ausser durch ebene einteilige Platten ( ) und Flächen durch rotatorische Fächerung ( ) auch noch mithilfe weiterer bekannter Prinzipien erzeugt werden. Wichtig ist, dass die erzeugte Fläche und deren weitere Anbindung an die SP in beiden Vertikalrichtungen ausreichend druckstabil bzw. biegefest ist. Solch ein weiteres bekanntes Prinzip der Flächenerzeugung ist die translatorische Fächerung gern. . Die Abbildung zeigt exemplarisch ein 7-Elemente-Paket in 3 Ansichten, bestehend aus einem Endelement, einem Führungselement sowie 5 Zwischenelementen aus schweissbarem Material. Die Längsbewegung der Elemente untereinander wird durch eine Kombination von Nuten und Schweissnieten erzeugt. Die Einzelheit a zeigt einen Schnitt durch eine Nietverbindung. Die presstechnisch oder formgebend erzeugte Absenkung ist notwendig, um Platz zu schaffen für den seitlichen Abbrand eines Niets beim Schweissvorgang. Die Verbindung zweier benachbarter Elemente kann dabei mit 2 oder 4 Nieten erfolgen (Einzelheit b). Der Unterschied besteht darin, dass 2 Nieten ein Verdrehen und Verkanten um die Hochachse zwischen zwei benachbarten Elementen zulassen und 4 Nieten dieses verhindern. Im Gegenzug ermöglichen 2 Nieten einen größeren Auszug x im Vergleich zu 4 Nieten. Die trapezförmige Abstufung der Breite der Einzelelemente ist aus Freigangsgründen der beispielhaft gewählten Nietverbindungen erforderlich.
Noch ein weiteres Prinzip der für die Bedämpfung der SP tauglichen Flächenerzeugung soll im folgenden vorgeschlagen werden. Dazu ist es allerdings notwendig, nochmals einen Rückblick auf die Grundlagen der Strömungslehre zu werfen. zeigt eine dünnwandige ebene Platte in senkrechter freier Anströmung von rechts. Zeile 1 und Zeile 5 zeigen die Veränderung des Strömungswiderstands einer dünnwandigen ebenen Platte bei Änderung des Anströmungswinkels von 90 Grad auf 0 Grad in freier Anströmung. Die in benutzten Begriffe Druck und Reibung sind technisch gleichbedeutend mit den Begriffen turbulente Strömung und laminare Strömung. Die Zeilen 2 bis 4 der zeigen weitere elementare Grundformen wie Kreis, Ellipse und Tragflügelprofil sowie deren Aufteilung in laminare und turbulente Strömung. Weitere elementare Grundformen sind üblicherweise nicht in solchen vergleichenden Betrachtungen enthalten, sondern müssen für sich getrennt untersucht, bzw. in der Fachliteratur recherchiert werden, wie z.B. auch das in dargestellte Profil mit gleichmäßiger Faltung in freier senkrechter Anströmung in einem inkompressiblen Medium. Die Besonderheit dieser Konstellation liegt darin, dass innerhalb der Umhüllenden des Profils die äussere freie Anströmung wechselt in eine zwangsgeführte Strömung, welche an den Profilkanten unabhängig vom Vorhandensein eines Winkels eine ausschließlich turbulente Strömung erzeugt. Gegenüber den Annahmen in liegen hier also völlig andere Strömungsverhältnisse vor. Die weitere vektorielle Aufarbeitung dieser Zwangsströmung zu einer resultierenden Gesamtkraft F1res ( unter Zuhilfenahme einer fixen 3D-Hilfsgröße 10 senkrecht zur Zeichenebene) liefert, dass erstens Symmetriebedingungen zwischen zwei benachbarten Teilflächen herrschen, dass zweitens die resulierende Gesamtkraft F1res des gefalteten Profils in Strömungsrichtung der freien Anströmung identisch ist mit der Kraft F2, welche eine ebene Platte von der Größe der Projektion des gefalteten Profils erzeugt ,dass drittens Kraftkomponenten entstehen, welche in x-Richtung gegen die Anstellung um den Winkel alpha wirken und viertens, dass das Kräftegleichgewicht F1res = F2 unabhängig ist vom Anstellwinkel alpha . Damit ist auch dieses Prinzip der Flächenerzeugung für die Bedämpfung einer SP tauglich.
Deshalb besteht ein erfindungsgemäß weiterer Lösungsvorschlag zur Schwingungsdämpfung einer SP in der Kombination der soeben beschriebenen Flächenerzeugung nach dem Prinzip der gleichmäßigen Faltung und weiteren Vorrichtungen nach dem Scherenprinzip als seitliche Führungen und Halterungen der Einzelflächen. zeigt die Grundform des Scherenprinzips in der Ausführung als vertikal bewegbare Arbeitsplattform mit 2 seilichen Scherenelementen, deren Lagerung an der Bodenplatte bzw. am Hubtisch in den beiden Betriebszuständen Ein/Ausgefahren. In dieser Konfiguration, bei der Kraftrichtung und Hubbewegung identisch sind, kann auf eine gegenseitige Verbindung der sich kreuzenden Streben an den inneren Knotenpunkten verzichtet werden. Der gesamte Zwischenraum zwischen den aussenliegenden Scherenpaaren bleibt frei, falls die Einzelstreben eines seitlichen Scherenelements ausreichend druck - und knickstabil ausgelegt sind. Bei einer Drehung der gesamten Anordnung um 90 Grad, einer seitlichen festen Basis und einer vertikalen Belastung durch eine Kraft F ändern sich die Belastungsverhältnisse komplett. In diesem Fall liegt äussere Biegebelastung vor, welche im Inneren der Scherenelemente durch Zug/Druck/Biege/Scher-Belastung der Einzelstreben und Bolzen abgestützt werden muss. Aus diesem Grund sind die auf einer Ebene angeordneten inneren Knotenpunkte ohne gegenseitige Verbindung der sich kreuzenden Streben mehrfach ungeeignet. Deshalb muss auf ein erweitertes Scherenprinzip gem. und zurückgegriffen werden, bei denen es beispielsweise 2 bzw.4 horizontale Ebenen der inneren, verbundenen Knotenpunkte gibt und damit ein Verhältnis von innerer Abstützbasis h2 zu Gesamthöhe h0 von o,333 bzw. 0,6 für den festigkeitsmäßigen Nachweis definiert werden kann.
zeigt eine mögliche Ergänzung der beiden aussenliegenden Scherenelemente durch innenliegende Flächenelemente. Die Flächenelemente sind als einteilige, in Längsrichtung biegesteife Bauteile ausgeführt, welche gemeinsam mit dem jeweiligen Nachbarelement mittels integrierter Scharnier-Verbindung auf einer gemeinsamen durchgehenden Welle gelagert sind. Das Kompaktmaß der wird bei einem erweiterten Scherengitter nicht erreicht und hängt von der Breite b der Streben und der Vielgliedrigkeit des Scherengitters ab . zeigt eine weitere mögliche Ergänzung der beiden aussenliegenden Scherenelemente durch innenliegende Flächenelemente. In dieser Ausführung werden die einzelnen Flächenelemente der durch ein über die gesamte Länge der beiden aussenliegenden Scherenelemente einteiliges Flächenelement aus flexiblem, gummielastischem, dünnem und wasserdichtem Material ersetzt, welches in wechselseitiger Umschlingung (Einzelheit x) durchgehender Verbindungswellen aufgespannt wird und an zwei durchgehenden Verbindungswellen am Anfang und am Ende der Scherengitter befestigt wird. Die Funktionstauglichkeit dieser so erzeugten Gesamtfläche für die Bedämpfung der SP hängt wesentlich vom Aufbau der Schicht ab. Die Schicht kann einlagig/mehrlagig und/oder homogen/inhomogen aufgebaut sein. Vorteilhaft ist, dass eine Unterstützung der Fläche in engen Abständen an jedem Knotenpunkt des Scherengitters möglich ist. Insgesamt bietet diese einteilige Lösung der Vorteile bezüglich Kosten/Gewicht, konstruktiver Aufwand, Austausch und Reinigung gegenüber den Einzelflächen in der . Beide Vorschläge gemeinsam haben den weiteren Vorteil, dass die aussenliegenden Scherenelemente in ihren Knotenpunkten durch eine beliebige Anzahl von Schenkelfedern ergänzt werden können, welche durch Entspannung den ausgefalteten Zustand der gesamten Anordnung herstellen. Der eingefaltete Zustand der Anordnung kann z.B. durch jeweils einen Bowdenzug pro Scherengitter wieder hergestellt werden.
Gegen Ende der Erfindungsbeschreibung wird zusammenfassend der sich abzeichnende konstruktive Mehraufwand (ohne Kosten/Gewicht) der einzelnen erfindungsgemäßen Lösungsvorschläge aufgezeigt und in Relation zu dem erzielbaren Nutzen gesetzt. Alle Lösungsvorschläge sind durchgängig und nachweislich funktional. Lösungsvorschläge, auf welche dies nicht bzw. nicht ausreichend zutrifft, wurden im Rahmen der erfinderischen Tätigkeit explizit beiseite gelegt und nicht weiterverfolgt. Die zeigt einen Aufbau, bei dem 2 einteilige Flächenelemente jeweils fest und mittig an der Unterseite der jeweiligen Schwimmkörper angebracht sind. Diese Anordnung ist konstruktiv betrachtet einfach, aber sowohl durch die erzielbare Gesamtlänge von frei umströmten Aussenkanten der beiden Flächen als auch durch die günstige Positionierung der Flächen in einem großen Abstand zu der Mittelachse der SP wirkungsvoll. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, diese Flächen formgebend in die Schwimmkörper zu integrieren(Einzelheit b).Beide Ausführungen werden hier als Gruppe 1 bezeichnet. Die und zeigen Anordnungen (als Gruppe 2 bezeichnet), bei denen die Einzelflächen ebenfalls einteilig gestaltet sind, aber durch zusätzliche Freiheitsgrade an der PLattform bzw. an den Schwimmkörpern im Zustand „im Betrieb“ in eine dämpfungstechnisch günstige Position gebracht werden können und im Zustand „ausser Betrieb“ die Platzverhältnisse unter Wasser geringstmöglich negativ beeinflussen.
Die , , und zeigen Flächenelemente, welche durch rotatorische Fächerung, durch translatorische Fächerung sowie durch gleichmäßige Faltung in Kombination mit dem Scherenprinzip erzeugt werden und daher bereits jeweils 2 Betriebszustände aufweisen. Die und (als Gruppe 3 bezeichnet) zeigen, wie alle Flächenelemente durch weitere Vorrichtungen in eine für die Bedämpfung der SP noch günstigere Position gebracht werden können und sich damit die Anzahl der insgesamt möglichen Betriebszustände weiter erhöht. Soweit der Überblick und die Einteilung der Lösungsvorschläge. Die zeigt in der Theorie, wie sich eine erfindungsgemäße zusätzliche Bedämpfung der SP auswirkt. Die Ausgangs-Schwingung der SP ohne zusätzliche Bedämpfung ist beschrieben durch die Ausgangs-Amplitude a0, die Ausgangs-Frequenz f0 und eine degressive Ausgangs-Abklingkurve. Durch die zusätzliche Bedämpfung verringert sich die Amplitude von a0 auf a1, verringert sich die Frequenz von f0 auf f1 und die Abklingkurve weist eine stärkere Degression delta 1 > delta 0 auf. Die Lösungsvorschläge der Gruppen 1-3 weisen unterschiedliches Potenzial bezüglich erreichbarer Zusatzbedämpfung der SP auf, sind allerdings vom konstruktiven Aufwand her ebenso unterschiedlich. Es liegt final im Ermessen des Herstellers solcher SP, hier entweder keine, eine oder sogar mehrere Lösungen anzubieten . Vergleichend wird auf ähnliche Zielkonflikte und Marktsituationen hingewiesen, z.B. bei PKW oder Wohnmobilen, wo für die vom Kunden gewünschten Komfort- und Sicherheits-Extras teils hohe Aufpreise verlangt werden, welche aber dennoch vom Kunden akzeptiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011017438 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung bei schwimmenden Plattformen mit einer oder mehreren Schwimmkörperreihen, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere dünnwandige, plattenförmige, jeweils einteilige Elemente, welche unterhalb der Wasseroberfläche und parallel zur Wasseroberfläche angeordnet sind, fest mit der schwimmenden Plattform verbunden sind ( , Einzelheit 1 und 2).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente an den Eckpunkten der Plattform drehbar und/oder absenkbar bezogen auf jeweilige Vertikalachsen gelagert sind und in den Endpositionen jeweils arretierbar sind ( , Einzelheit 3,4,5 und 6).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente an den tiefsten Punkten der Schwimmkörper jeweils um eine Horizontalachse schwenkbar gelagert sind, teilweise nicht eben sind, in den Endpositionen arretierbar sind und sich im Zustand „eingeklappt“ teilweise nicht vollständig im Wasser befinden und im Zustand „eingeklappt“ nicht parallel zur Wasseroberfläche angeordnet sind ( ).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente im Betriebszustand „in Betrieb“ vollständig ausserhalb der äußeren Begrenzung der schwimmenden Plattform angeordnet sind, die Flächenmittelpunkte der Elemente auf einer Teilfläche einer Kreiszylinderfläche liegen und die Elemente im Betriebszustand „ausser Betrieb“ in den Zwischenraum der Schwimmkörper einschwenkbar sind ( ).
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Flächenmittelpunkte der Elemente im Betriebszustand „in Betrieb“ innerhalb eines Teilvolumens annähernd eines Hohlzylinders befinden und die Elemente im Betriebszustand „ausser Betrieb“ seitlich an der/den Aussenkontur/en der/des Schwimmkörper/s liegen ( ).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bedämpfung der schwimmenden Plattform notwendigen Flächen durch rotatorische Fächerung von Einzelelementen erzeugt werden, welche im Betriebszustand „ausgefächert“ in der vertikalen Projektion eine geschlossene Kreisfläche ergeben und im Betriebszustand „eingefächert“ zu einem kompakten Paket der Einzelelemente übereinander gestapelt sind und in den Endpositionen arretiert werden ( - ).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bedämpfung der schwimmenden Plattform notwendigen Flächen durch translatorische Fächerung von Einzelelementen erzeugt werden, welche im Betriebszustand „ausgefächert“ in der vertikalen Projektion eine geschlossene Rechteck- oder Trapezfläche ergeben und im Betriebszustand „eingefächert“ zu einem kompakten Paket der Einzelelemente übereinander gestapelt sind und in den Endpositionen arretiert werden ( ).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bedämpfung der schwimmenden Plattform notwendigen Flächen durch gleichmäßige Faltung von Einzelelementen erzeugt werden, welche jeweils an 2 Seiten jeweils mit einem Scherengitter verbunden sind und die Scherengitter in ihren Endpositionen jeweils arretierbar sind ( ).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bedämpfung der schwimmenden Plattform notwendigen Flächen jeweils durch gleichmäßige Faltung eines einteiligen Elements aus flexiblem, gummielastischem, dünnem, wasserdichtem, ein-oder mehrlagigem Material erzeugt werden, welches in wechselseitiger Umschlingung durchgehender Verbindungswellen zwischen den Scherengittern aufgespannt wird und an jeweils beiden durchgehenden Verbindungswellen am Anfang und am Ende eines Scherengitterpaars befestigt wird ( ).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bedämpfung der schwimmenden Plattform notwendigen Flächen in integrierter Bauweise erzeugt werden ( , Einzelheit b).