Luftschraubenwelle mit Schwingungsdämpfer

Auszüge aus der

Betriebsanweisung und Wartungsvorschrift BR4 für den Junkers Jumo 205C BR4, 1. Ausgabe, 1940,

Betriebsanweisung des Junkers Jumo 205 von Hettich, 1936,

Reihe Luftfahrt-Lehrbücherei Band 18 "Die deutschen Flugmotoren Jumo 205" von Ing. Otto Leib, 1940,

Lehrmittel für technische Fliegerschulen von Junkers

Junkers Flugmotor Jumo 205 D Betriebsanweisung 1. Ausgabe, 1940

Junkers Flugmotor Jumo 205 D BR1 und 2 Teilüberholungsanleitung, August 1941,

JUMO 205 C, D und JUMO 207 B Lichtbild-Lehr-Vortrag, Oktober 1942,

Am Flugmotor mit seinem aus Gründen der Gewichtsersparnis bis aufs äußerste ausgenutzten Werkstoffen, seinen hohen Leistungen und Drehzahlen und seiner Aufhängung im stark federnden Motorenvorbau treten Schwingungen naturgemäß leichter auf, als bei ortsfesten Maschinen, die auf starken festen Fundamenten ruhen. Es handelt sich dabei in erster Linie um die Drehschwingungen der Kurbelwelle, hervorgerufen durch die Ungleichförmigkeit des Drehmomentes. Kommen diese Drehschwingungen bei gewissen Drehzahlen mit den Eigenschwingungen der Welle in Resonanz, dann wachsen die Ausschläge stark an und die Welle erleidet übermäßige Beanspruchungen. Solche Drehzahlen und Schwingungen nennt man „kritische".
Schon beim Entwurf muss man darauf bedacht sein, diese gefährlichen kritischen Drehungen um Betriebsdrehzahlenbereich durch zweckentsprechende Anordnung von Massen und Elastizitäten, durch Kurbelversatz und Zündfolge zu vermeiden. Das lässt sich natürlich nicht immer, insbesondere bei den strengen Forderungen des Flugmotorenbaues nach kleinstem Gewicht, kleinstem Raumbedarf, kleinstem Stirnwiderstand, höchster Leistung, höchster Betriebssicherheit und höchster Wirtschaftlichkeit, erreichen. Insbesondere dann, wenn wie beim Zweiwellen-Junkers-Flug-Dieselmotor zwei solcher schwingender Systeme aufeinander abgestimmt werden müssen. Ferner handelt es sich nicht nur darum, kritische Schwingungen an sich unbedingt zu vermeiden, sondern die Drehschwingungsausschläge so klein wie nur irgend möglich zu halten, um die Kurbelwelle nicht vorzeitig durch Ermüdungsbrüche zu zerstören. Man muss also versuchten, die Schwingungen durch künstliche Dämpfung unschädlich zu machen.
Das wird erreicht, durch geeigneten Anbau einer zusätzlichen schweren Masse, die durch ihre Trägheit den schnellen Schwingungen nicht folgen kann und dadurch eine Herabminderung der Schwingungsausschläge bewirkt. Eine solche Masse bedeutet jedoch zusätzliches Gewicht, was beim Flugmotor unerwünscht ist.
Im Gegensatz dazu braucht man bei der von Junkers angewandten „Innendämpfung" keine Zusatzmasse, sondern zieht die Luftschraube dazu heran. Als zusätzlich ist lediglich das geringe Gewicht der „elastischen Welle" zu betrachten.

zerlegtes Dämpferrad	Arbeitsweise Luftschraubenwelle und Schwingungsdämpfer
zerlegtes Dämpferrad	der Schwingungsdaempfer mit der elastischen Welle, die Luftschraubenwelle ist am linken Rand zu erkennen

Das Dämpfergehäuse (a) ist im Luftschrauben-Antriebszahnrad selbst untergebracht. Wie aus dem Bild hervorgeht, besitzt dieses Gehäuse einzelne Kammern. In diese Kammer passen die Schaufeln des Dämpferrades (b), das mit der Luftschraubenwelle (c) starr verbunden ist. Durch Radial­Verzahnung ist die elastische Welle (d) fest mit dem Gehäuse (a) verbunden. Die Schaufeln (b) können sich in den Kammern (a) bewegen. Gehäuse (a) und Rad (b) sind durch die starke Außenwelle (c) und die elastische Innenwelle (d) so miteinander verbunden, dass die Schaufeln (b) im kräftefreien Zu­stand ungefähr in der Mitte der Kammern (a) liegen. Das volle Drehmoment des Motors geht durch die elastische Welle (d). Dadurch wird diese um einen gewissen, gewollten Betrag verdreht. Die Dämpferschaukeln (b) befinden sich nun in einer anderen Lage zu den Dämpferkammern (a), aber noch relativ in Ruhe zu ihnen. Die Größe der Dämpferkammern (a) gibt auch in dieser Lage noch genügend Raum für übergelagerte Pendelbewegungen von a und b gegeneinander.
Treten also Verdrehungsschwingungen am Motor auf, so macht das Dämpfergehäuse (a) die Ausschläge mit. Es vollführt gegenüber dem mit der Luftschraubenmasse (e) gleichmäßig umlaufenden Dämpferrad (b) eine Relativ-Bewegung. Die Schaufeln saugen und drücken dabei das Öl durch die engen Spalten zwischen ihnen und dem Gehäuse in die Kammern hinein und aus ihnen heraus. Die dabei vernichtete Leistung wird der Schwingungsenergie entzogen und führt demgemäß zu der gewollten Verkleinerung des Schwingungsausschlages.
Die bei diesem Vorgang entstehende Wärme muss abgeführt werden. Deshalb wird das Öl im Dämpfer ständig erneuert. Es fließt, wie aus dem Ölschema auf dem oberen Bild ersichtlich, über eine Düse in das Innere der elastischen Welle, verlässt diese sofort wieder, um in die im Luftschraubenzahnrad gelegenen Kammern einzutreten. Durch Bohrungen, die neben den Schaufeln im Dämpferrad liegen, geht das Öl in die Kammern des Deckels zum Dämpfergehäuse und verlässt dieses durch eine spiralförmige Drosselnut und fließt auf die Luftschraubenwelle über das Stirnrädergehäuse in den vorderen unteren Ölsumpf. Die Drosselnut hat die Aufgabe, einen ganz bestimmten Öldruck innerhalb des Dämpfers zu gewährleisten.

Austritt des Öls aus dem Schwingungsdämpfer durch die Drosselnut

Der Schwingungsdämpfer arbeitet mit dem vollen von der Ölpumpe erzeugten Öldruck von 3-4 atü. (Bei Hamilton-Verstellschraube 4.2-4.6 atü). Vor dem Anlassen ist mit einer Handpumpe Öl in die Druckleitung zu pumpen, bis alle Öl-Manometer also auch das des Schwingungsdämpfers Druck anzeigen. Der Handpumpenanschluß liegt rechts unten am Gebläsegehäuse.

Dornier Do 18, am hinteren Triebwerk mit Fernwelle	Triebwerksgondel mit Jumo 204 und einer Fern-welle in einer Junkers G 38

Die geschilderte Innendämpfung hat sich auch vorzüglich bewährt bei solchen Flugzeugen, wo zwischen Motor und Luftschraube Verlängerungswellen notwendig sind. (G 38, Do 18). Dort tritt die Fernleitungswelle anstelle der Luftschraubenwelle. Die elastische Welle muss entsprechend lang ausgeführt werden. Näheres siehe im folgenden Lehrblatt „Fragen des Fernantriebes".

Die Anordnung der Luftschraube unmittelbar am Motor ist in vielen Fällen keine Bestlösung, sondern ein lästiger Zwang. Fernleitungen schenken dem Flugzeugbauer eine größere Gestaltungsfreiheit; sie sind daher schon früh versucht worden, auch die deutsche Industrie (Junkers) hat die Frage des Fernantriebes verfolgt.
Die Schaffung von Fernleitungen für Flugzeuge ist nicht leicht, obwohl solche Anlagen auf den verschiedensten Gebieten des Maschinenbaues zu größter Betriebssicherheit durch entwickelt sind. Die Gründe dafür liegen in Schwierigkeiten schwingungstechnischer Art, zumal im Flugzeugbau kleinste Baugewichte eingehalten werden müssen. Die bei Fernleitung in Frage kommenden Schwingungen sind:

1. Drehschwingungen der umlaufenden Teile,

2. Vibrationen der Motoren und Getriebe gegenüber dem Flugwerk,

3. Biegeschwingungen langer umlaufender Wellen,

4. durch Unwucht der Luftschraube hervorgerufene Schwingungen des Flugwerks.

Die Bedeutung der Drehschwingungen für den Fernleitungsbau ist sehr groß, weil sie im ganzen Betriebsdrehzahlbereich auftreten; beispielsweise können bei einer Anlage, die aus zwei 12 Zylinder­V-Viertaktmotoren mit Sammelgetriebe auf eine Luftschraube besteht, nicht weniger als 42 Schwingungsmöglichkeiten vorkommen. Unter solchen Umständen erscheint es kaum möglich, das Betriebsdrehzahlgebiet von gefährlichen Resonanzen freizuhalten, es bleibt vielmehr notwendig, durch Schwingungsdämpfung Abhilfe zu schaffen. Schwingungsdämpfer sind heute im Triebwerksbau praktisch erprobt und als betriebssicher anzusehen. Im Fernleitungsbau sind bisher zwei Dämpfungsverfahren zur Anwendung gelangt: die Innendämpfung, bei der ein Teil der Elastizitäten durch einen starren Bauteil überbrückt und an dieser Stelle die arbeitsverzehrende Einrichtung eingeschaltet wird, und die Außendämpfung, bei der an Stelle großen Schwingungsausschlages eine Zusatzmasse unter Zwischenschaltung dämpfender Mittel angebracht wird.

Gegen die Biegeschwingungen langer, schnelllaufender Wellen gibt es als einfachstes Gegenmittel die mehrfache Lagerung solcher Wellen. Haben die hierzu erforderlichen Stützen im Flugwerk nicht genügende Steifigkeit, so hilft das Einschalten einer Dämpfungsvorrichtung in die Stützlager (siehe Abbildung 3). Die durch Luftschraubenunwucht erregten Schwingungen stellen bei Fernleitungsbau kein außergewöhnlich schwieriges Problem dar. Diese Frage ist grundsätzlich mit den heute bekannten Mitteln zu bewältigen.
Besondere Aufgaben stellt der Fernleitungsbau dar, wo die Leistung mehrerer Motoren an einer Stelle gesammelt und von hier einer oder mehreren Luftschrauben zugeleitet werden soll. Die Zahnrad - und Kegelradgetriebe stellen keine neuen Probleme: was den hierbei auftretenden Leistungsverlust anlangt, so muss man bei zwei Getrieben zwischen Kurbelwelle und Luftschraube etwa mit 2 bis 3 v. H. Verlust rechnen.
Zwischen dem Sammelgetriebe und jedem Motor muss eine während des Betriebes willkürlich ein- und ausrückbare Kupplung liegen, damit die Motoren einzeln angelassen und warmgefahren werden können, ohne dass die Luftschrauben umlaufen. Außer den Kupplungen müssen Freilaufeinrichtungen vorgesehen sein, damit bei einer Panne der betreffende Motor sich vom Gesamttriebwerk löst, ohne dessen Weiterarbeiten auch nur einen Augenblick zu stören. Diese Freilauf-Einrichtungen sollen vollkommen selbsttätig sein und die Aufmerksamkeit der Besatzung in keiner Weise in Anspruch nehmen. Solche Kupplungs- und Freilaufeinrichtungen sind auf dem Prüfstande und zwar bereits in Verbindung mit Flugmotor, Fernleitung und Luftschraube - also unter wahren Beanspruchungsverhältnissen -erprobt worden. Von besonderer Bedeutung für mehrmotorige Fernleitungsanlagen ist die Verstellschraube, da mit ihrer Hilfe der bei Versagen eines Motors eintretende Drehzahlabfall wettgemacht werden kann. Einmotorige, gerade Fernleitungsanlagen sind bereits mit Erfolg im Luftverkehr eingesetzt. Solche Fernleitungen mit Innendämpfung lassen sich bis etwa 7 m Länge herstellen und erfordern bei reiner Leistung von 700 PS etwa 45 bis 60 kg Zusatzgewicht je m Entfernung zwischen Luftschraube und Motor. Gegen die Verwendung einmotoriger Winkelfernleitungen bestehen keine grundsätzlichen Bedenken. Die zur Durchführung mehrmotoriger Fernleitungsanlagen nötigen Entwicklungsarbeiten sind heute so weit vorangetrieben, dass an die versuchsweise Ausrüstung eines Flugzeuges gedacht werden kann. Derartige Anlagen werden in ihrer heutigen Entwicklungsstufe ein Zusatzgewicht von 0,3 bis 0,4 kg/PS mit sich bringen.
Gemäß der Leistungsformel fällt die Motorenleistung bei gleichbleibendem Drehmoment proportional der Drehzahl geradlinig ab, wie es die Vollleistungskurve zeigt, also z. B. bei halber Drehzahl noch die halbe Leistung. Der mittlere effektive Druck bleibt gleich, demzufolge auch die pro Hub einzuspritzende Kraftstoffmenge.
Die Leistungsaufnahme einer Luftschraube ist proportional der dritten Potenz der Drehzahl. Nimmt also die Luftschraube bei 2200 U/min 600 PS auf, dann nimmt sie bei halber Drehzahl nur auf:
(1/2)' • 600 = 1/2 . 1/2 . 1/2 • 600 = 1/8 • 600 = 75 PS.