Projekt - Kurbelwelle
Section outline
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Motivation:
Eines der wichtigsten Bauteile eines Schiffsantriebes ist die Kurbelwelle. Sie ist das Herzstück des Schiffsmotors und wandelt die lineare Bewegung der Kolben in eine rotierende Bewegung um, mit der letztlich die Schiffsschraube angetrieben wird. Aufgrund ihrer Größe, ihres Gewichts und der hohen Belastung, der sie im Betrieb ausgesetzt ist, stellt sie hohe Anforderungen an Konstruktion, Materialwahl und Fertigung.
Schon in der Entwicklungsphase müssen mechanische Einflüsse wie Biegung, Torsion, Schwingungen und Materialspannungen berücksichtigt und berechnet werden. Auch der Transport der Kurbelwelle zum Einbau in einer Werft stellt eine technische Herausforderung dar, da aufgrund ihrer enormen Masse und Länge spezielle Vorrichtungen notwendig sind, um unzulässige Belastungen oder Schäden zu vermeiden. Dabei müssen die auftretenden Kräfte und Momente genau analysiert und kontrolliert werden.
Beim Einbau in das Schiff ist eine präzise Ausrichtung erforderlich, um eine gleichmäßige Lagerbelastung und eine optimale Kraftübertragung sicherzustellen. Dabei spielen unter anderem thermische Ausdehnungen im Betrieb und mögliche Materialermüdung eine Rolle.
Die Schiffskurbelwelle zeigt exemplarisch, wie vielfältig und praxisnah technische Mechanik in ingenieurtechnischen Aufgabenfeldern angewendet wird. Sie macht deutlich, wie wichtig ein fundiertes mechanisches Verständnis ist, um komplexe technische Systeme sicher und zuverlässig zu gestalten.
Nachfolgend werden die Stationen der Fertigung, des Transportes und der Lagerung der Schiffskurbelwelle in praxisnahen Problemstellungen thematisiert.
Schiffskurbelwelle an Brückenkran, Felix Gänsicke / AIDA / Meyer Werft, Lizenz: CC BY-SA 4.0
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Als Informationsquelle zum Thema Kurbelwelle liegt nachfolgend eine H5P-Kurspräsentation vor. Schauen Sie sich die Präsentation durch einen Klick auf den folgenden Button in Ruhe an.
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Als Informationsquelle zum Thema Kurbelwelle liegt nachfolgend eine H5P-Kurspräsentation vor. Schauen Sie sich die Präsentation in Ruhe an.
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Ordnen Sie einzelnen Konstruktionselementen der Kurbelwelle bestimmte Begriffe zu. Führen Sie dazu das Drag and Drop Modul “Kurbelwelle” aus.
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Erstellen Sie ein möglichst realistisches Modell für die Schiffskurbelwelle. Betrachten Sie die Schiffskurbelwelle hierzu als Kurbelwelle mit 4 Zylindern. Fertigen Sie eine entsprechende Zeichnung mitsamt der relevanten auf die Kurbelwelle einwirkenden Kräfte an und beschriften Sie darin sämtliche Teilelemente des Modells. Erläutern Sie, warum dieses Modell für uns im Rahmen der Statik nicht zielführend sein kann, um Berechnungen durchzuführen.
Laden Sie Ihre Zeichnung durch einen Klick auf den folgenden Button hoch. Beachten Sie, dass die Abgabe nach dem Hochladen erneut bestätigt werden muss.
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Opened: Monday, 22 June 2026, 9:35 AM
Erstellen Sie ein möglichst realistisches Modell für die Schiffskurbelwelle. Betrachten Sie die Schiffskurbelwelle hierzu als Kurbelwelle mit 4 Zylindern. Fertigen Sie eine entsprechende Zeichnung mitsamt der auf die Kurbelwelle einwirkenden Kräfte an und beschriften Sie darin sämtliche Teilelemente des Modells. Erläutern Sie, warum dieses Modell für uns im Rahmen der Statik nicht zielführend sein können, um Berechnungen durchzuführen.
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Erstellen sie ein für Berechnungen in der Statik geeignetes Ersatzsystem. Treffen Sie Annahmen zur Vereinfachung des Systems. Analysieren Sie diese Vereinfachungen und schätzen Sie intuitiv ab, wie gravierend sich diese vermutlich auf die Ergebnisse auswirken. Wählen und nennen Sie realistische Werte für die relevanten Belastungen des Systems.
Für Ihre Betrachtungen können Sie die nachfolgende Kurbelwelle als Ausgangsmodell betrachten. Die Kurbelwelle soll eine Gesamtlänge von \(l = 4\) m aufweisen, wobei die Abschnittslänge \(x = 250\) mm betragen soll (\(y=410\) mm). Die Gesamtmasse der Kurbelwelle wird mit \(m = 1\) t angenommen.
Laden Sie Ihre Zeichnung durch einen Klick auf den folgenden Button hoch. Beachten Sie, dass die Abgabe nach dem Hochladen erneut bestätigt werden muss.
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Opened: Monday, 22 June 2026, 9:35 AM
Erstellen sie ein für Berechnungen in der Statik geeignetes Ersatzsystem. Treffen Sie Annahmen zur Vereinfachung des Systems. Analysieren Sie diese Vereinfachungen und schätzen Sie intuitiv ab, wie gravierend sich diese vermutlich auf die Ergebnisse auswirken. Wählen und nennen Sie realistische Werte für die relevanten Belastungen des Systems.
Für Ihre Betrachtungen können Sie die Kurbelwelle aus der Aufgabenstellung als Ausgangsmodell betrachten. Die Kurbelwelle soll eine Gesamtlänge von \(l = 4\) m aufweisen, wobei die Abschnittslänge \(x = 250\) mm betragen soll. Die Gesamtmasse der Kurbelwelle wird mit \(m = 1\) t angenommen. -
Um eine Kurbelwelle zu erhalten, muss diese zunächst gefertigt werden. Bei einer Schiffskurbelwelle erfolgt dies vorwiegend durch Schmieden. Hierdurch wird eine höhere Festigkeit, Zuverlässigkeit und Fähigkeit, höheren Belastungen standzuhalten, erzielt. Zum Schmiedeprozess zählt die Wärmebehandlung und das Kugelstrahlen. Beide Verfahren dienen dazu, die Haltbarkeit, Ermüdungsfestigkeit und Verschleißfestigkeit weiter zu erhöhen. Die Anschaffungskosten von geschmiedeten Kurbelwellen können im Vergleich zu gegossenen Kurbelwellen höher ausfallen, jedoch führt ihre Langlebigkeit und Leistungsfähigkeit zu geringeren Wartungskosten und somit häufig auch zu geringeren Gesamtkosten.
Zur Fertigung muss das Halbzeug mit Hilfe eines Krans in das Untergesenk einer Gesenkschmiede eingelegt werden. Hierzu muss das Gewicht \(G_2\) des Klemmgutes so ausgelegt werden, dass ein Rutschen zwischen den Klemmrollen mit jeweils der Masse \(G_1\) verhindert wird.
Berechnen Sie symbolisch das Gewicht des Klemmgutes zwischen zwei Klemmrollen. Stellen Sie hierzu die jeweiligen Gleichungen und Gleichungssysteme auf, so dass durch ein späteres Einsetzen von Werten verschiedene Material- und Winkelkombinationen getestet werden können.
Starten Sie anschließend den Test zum Thema Reibung durch einen Klick auf den folgenden Button.
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Berechnen Sie symbolisch das Gewicht des Klemmgutes zwischen zwei Klemmrollen. Stellen Sie hierzu die jeweiligen Gleichungen und Gleichungssysteme auf, so dass durch ein späteres Einsetzen von Werten verschiedene Material- und Winkelkombinationen getestet werden können.
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Gelagerte Schiffskurbelwelle, Felix Gänsicke / AIDA / Meyer Werft, Lizenz: CC BY-SA 4.0
Nach der Fertigung soll die Kurbelwelle zur Überprüfung der Maßhaltigkeit auf einer Vorrichtung gelagert werden. Hierzu sollen in einem ersten Schritt überschlagsmäßig die auftretenden Auflagerreaktionen bestimmt werden.
Berechnen Sie auf Grundlage Ihres vereinfachten Modells der Kurbelwelle die Auflagerreaktionen der Kurbelwelle im Stillstand sowie in einer Momentaufnahme im Betrieb. Stellen Sie die jeweiligen Gleichungen und Gleichungssysteme auf.
Starten Sie anschließend den Test zur Auflagerreaktionsberechnung durch einen Klick auf den folgenden Button.
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Berechnen Sie auf Grundlage Ihres vereinfachten Modells die Auflagerreaktionen der Kurbelwelle im Stillstand sowie in der Momentaufnahme im Betrieb. Stellen Sie die jeweiligen Gleichungen und Gleichungssysteme auf.
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Auf Basis der berechneten Auflagerreaktionen wurde sich in einem zweiten Schritt dazu entschieden, die Kurbelwelle auf zwei Stativen in Form von Dreibeinen zu lagern.
Berechnen Sie zunächst die einzelnen Stabkräfte innerhalb eines der beiden Stative. Ermitteln Sie anschließend die Wandstärke des Dreibeins für die Materialien Aluminium (AW-6082) und Stahl (S355). Stellen Sie die jeweiligen Gleichungen und Gleichungssysteme auf.
Starten Sie hierzu den Test zu Berechnungen innerhalb der Raumstatik durch einen Klick auf den folgenden Button.
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Berechnen Sie zunächst die einzelnen Stabkräfte innerhalb eines der beiden Stative. Ermitteln Sie anschließend die Wandstärke des Dreibeins für die Materialien Aluminium (AW-6082) und Stahl (S355). Stellen Sie die jeweiligen Gleichungen und Gleichungssysteme auf.
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Von der Zwischenlagerungsstelle soll die Schiffskurbelwelle mit Hilfe eines Wandkranes in einen LKW verladen werden, damit die Welle für einen Einbau zur Werft transportiert werden kann. Hierzu muss überprüft werden, ob die Fachwerkstruktur des Wandkranes der Belastung durch die Kurbelwelle standhält.
Bestimmen Sie alle offensichtlichen Nullstäbe und berechnen Sie die Stabkräfte in den übrigen Stäben des Wandkranes. Starten Sie hierzu den Test zum Thema Fachwerke über einen Klick auf den nachfolgenden Button.
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Bestimmen Sie alle offensichtlichen Nullstäbe und berechnen Sie die Stabkräfte in den übrigen Stäben des Wandkranes.
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Im nächsten Schritt soll die Kurbelwelle mittels eines Gabelstaplers mit einer speziellen Aufnahme für die Welle aus dem LKW entnommen werden.
Errechnen Sie die Kontaktkräfte an der Wand und am Gabelzinken. Starten Sie hierzu den Test zum Thema Zentrales-Kräftesystem über einen Klick auf den nachfolgenden Button.
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Errechnen Sie die Kontaktkräfte an der Wand und am Gabelzinken.
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Schiffskurbelwelle an Brückenkran, Felix Gänsicke / AIDA / Meyer Werft, Lizenz: CC BY-SA 4.0
Zuletzt wird die Kurbelwelle per Brückenkran angehoben, um sie über der Einbaustelle zu positionieren. Zum Aufhängen der Kurbelwelle muss der Kranführer die Position der Seile am Balken kennen, um eine minimale Durchbiegung der Kurbelwelle gewährleisten zu können.
Verwenden Sie das Matlabprogramm, um die optimale Position der Schlaufen am Balken des Brückenkrans herauszufinden. Nutzen Sie hierzu den Schieberegler oder geben Sie den Wert manuell ein.Laden Sie Ihre Ergebnisse in schriftlicher Form durch einen Klick auf den folgenden Button hoch. Beachten Sie, dass die Abgabe nach dem Hochladen erneut bestätigt werden muss.
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Matlabprogramm für die Bestimmung der Schlaufenpositionen am Balken eines Brückenkrans.
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Opened: Monday, 22 June 2026, 9:35 AM
Laden Sie Ihre Ergebnisse in schriftlicher Form durch einen Klick auf den folgenden Button hoch. Beachten Sie, dass die Abgabe nach dem Hochladen erneut bestätigt werden muss.
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