Analyse von Konstruktionsmerkmalen von Raupenfahrwerken und Erstellung eines Lastenhefts für den Neubau eines Tiefsee-Raupenfahrwerks

Diplomarbeit von Bert Wenzlawski

Zusammenfassung:

Die Diplomarbeit beschäftigt sich mit den Konstruktionsmerkmalen von Raupenfahrwerken. Ziel ist die Erstellung eines Lastenhefts für den Grobentwurf eines Tiefsee-Raupenfahrwerks, welches als Geräteträger für eine Manganknollen-Sammelmaschine dienen soll.

Zum besseren Verständnis der technisch-physikalischen Hintergründe und zur Beschreibung der Konstruktionsmerkmale von Raupenfahrwerken sowie für die Erstellung wichtiger Dimensionierungsgleichungen werden vorab die wichtigsten Aspekte der Fahrwerk-Boden-Interaktion mit den zugehörigen Gleichungen erläutert. Aufgabe ist es hierbei nicht, einen detailierten Überblick über die Bereiche Bodenmechanik und Fahrdynamik zu vermitteln - entsprechendes kann der einschlägigen Fachliteratur entnommen werden - sondern die Darstellung der für diese Arbeit relevanten Grundlagen. Hierbei wird die Thematik des Bodendrucks und der Bodendruckverteilung erörtert, da hierdurch die Fahrzeugeinsinkung und somit das Fahrverhalten wesentlich bestimmt wird. Zur Ermittlung des Einsatzgewichts des Fahrzeugs und der daraus resultierenden benötigten Raupenaufstandsfläche wird die Tragfähigkeit des Bodens bestimmt, bei der ein Betrieb des Fahrzeugs noch möglich ist. Die Einsinkung des Fahrwerks in den Boden durch die aufgebrachte Fahrzeuglast und die Schlupfeinsinkung bestimmen maßgeblich die Mobilität und das Traktionsvermögen des Fahrzeugs. Über die Bodenbeschaffenheit und die Raupenaufstandsfläche kann die theoretisch maximal erzielbare Traktion mit oder ohne Berücksichtigung des auftretenden Schlupfs berechnet werden.

Es werden die inneren und äußeren Widerstandskräfte am Raupenfahrwerk erläutert, da diese für die Sicherstellung der Mobilität und die Auslegung des Leistungsbedarf von besonderer Wichtigkeit sind. Ebenso wird kurz auf die am Fahrzeug angreifenden Kräfte eingegangen, da diese bei der Dimensionierung der Fahrwerkskomponenten und der Bestimmung der Fahrwiderstände eine wesentliche Rolle spielen. Auf eine explizite Berechnung der Widerstände und angreifenden Kräfte wird in dieser Arbeit jedoch verzichtet. Des weiteren werden kurz die besonderen Vorgänge bei Kurvenfahrten und Wendemanövern erklärt. Zur experimentellen Untersuchung der Fahrwerk-Boden-Interaktion werden der Bollard-Pull-Test, der Drawbar-Pull-Test und der quasistationäre Fahrversuch vorgestellt.

Ferner wird die Konstruktion des vorhandenen IKS-Fahrzeugs beschrieben. Hierbei wird insbesondere auf das Abstützsystem durch Pendelbalkenlagerung in Kombination mit einem System aus Ober- und Unterschwingen und auf das am Institut entwickelte Gummiraupenband mit Evolventenzähnen eingegangen.

Im Hauptteil der Arbeit werden als Gestaltungsmerkmale von Raupenfahrwerken die verschiedenen Tragwerksstrukturen vorgestellt. Es werden Einteilungen bezüglich der Anzahl der Raupen, der Art der Abstützung und der Lenkungsart vorgenommen.

Außerdem wird zwischen Trapez-, Halbtrapez- und Vollraupenlaufwerken unterschieden. Durch die Größe der realisierten Ein- bzw. Auslaufwinkel der Raupe bei Trapezlaufwerken wird maßgeblich der Bulldozing-Widerstand, aber auch die Überwindungsfähigkeit von Hindernissen und Grabeffekte bestimmt.

Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Art der Kraftübertragung zwischen Antrieb und Raupe, wobei grundlegend zwischen form- und kraftschlüssigen Antrieben unterschieden wird.

Durch die Anordnung, Aufhängung und Gestaltung der Laufrollen/Laufräder ergibt sich eine Einteilung der Laufwerke in Räder-, Schachtel-, oder Stützrollenlaufwerke. Laufrollenaufhängungen werden eingeteilt als solche, die starr, mit konstanter Beweglichkeit oder mit veränderlicher Beweglichkeit aufgehängt sind. Hierzu werden einige Ausführungsbeispiele aufgeführt. Eine Besonderheit stellen die Laufwerke mit vollem kinematischen Lastausgleich dar, die sich durch gute Geländeanpassung und gleichmäßige Bodendruckverteilung auszeichnen.

Die Anzahl der Laufrollen und ihre Durchmesser bestimmen Bodendruckverteilung, Einsinkung, Schlupf und Traktion. Bei der Gestaltung der Lauf- und Stützrollen wird großer Wert auf Spurführung und Schmutzabfuhr gelegt. Bei der Gestaltung der Schwingen der Hebellaufrollenaufhängungen müssen kinematische Aspekte und der einzuhaltende Bewegungsspielraum berücksichtigt werden.

Des weiteren wird auf die Gestaltungsmöglichkeiten von Antriebsturas und Umlenktrommel eingegangen. Hierbei wird besonders Wert auf eine gute Spurführung und Schmutzabfuhr gelegt.

Anhand von Bollard-Pull-Test, Drawbar-Pull-Tests und quasistationären Fahrversuchen werden die Besonderheiten einer etwaigen Kopf- oder Hecklastigkeit des Fahrzeugs durch exzentrische Lasteinleitung diskutiert. Letztere hat insbesondere unter Berücksichtigung der Lage des Raupenantriebs - Frontantrieb, Heckantrieb oder Deltalaufwerk - einen großen Einfluß auf die Fahreigenschaften. Von der Lage des Raupenantriebs hängt auch die Trumkraftverteilung im Raupenband ab. Diese beeinflußt die Druckverteilung unter der Raupenaufstandsfläche, die Verschmutzungsneigung des Fahrwerks und somit das Einsink- und Fahrverhalten.

Ein weiteres Kapitel beschäftigt sich mit dem Aufbau und den Eigenschaften verschiedener Raupenarten. Es wird grob unterschieden zwischen Verbinder- und Scharnierketten als Gliederketten und offenen bzw. geschlossenen Gummibandraupen. Daneben werden kurz die Gummiluftraupe und das Loopwheel erwähnt. Bezüglich der Eigenschaften von Raupen wird ausführlich auf die Steifigkeit, die Raupenspannung und die Abmessungen eingegangen.

Ein wichtiger Aspekt ist auch die Profilierung der Raupe, wobei hier der Einfluß von Stegteilung, -höhe und -breite sowie Anordnung der Profile diskutiert und eine Unterscheidung zwischen aggressiven und weichen Profilen getroffen wird. Die Fahreigenschaften unterschiedlich profilierter Gummibänder werden erläutert anhand von in der Literatur beschriebenen Versuchen mit einer als Raupenfahrzeug ausgeführten Reisanbaumaschine.

Die Gestaltung des Fahrwerkrahmens wird unter den Aspekten der Werkstoffwahl, der Profilform der Tragelemente, der Beanspruchungsart, der Krafteinleitung und dem Fügeverfahren erörtert. Weiterhin werden auch die verschiedenen Arten der Lagerung beweglicher Fahrwerkskomponenten beschrieben. Hierbei wird unterschieden zwischen Lagerungen für umlaufende oder schwenkende Drehbewegungen und Linearführungen. Die Lager werden eingeteilt in Radial-, Axial- und Schräglager.

Auf Grundlage der gesammelten Erkenntnisse aus Fahrwerk-Boden-Interaktion und Raupenfahrzeugtechnik und unter Einbeziehung sämtlicher Umgebungsbedingungen wird ein Lastenheft für die Konstruktion eines Tiefseefahrwerks für eine Manganknollen-Sammelmaschine erstellt. Hierbei wird unterschieden zwischen Bedingungen, Anforderungen und Wünschen. Bei der Wahl der verschiedenen Lösungsmöglichkeiten wird abgewägt, zwischen technisch optimierten Lösungen, praktischer Machbarkeit im Rahmen der Institutsumgebung und der Zusammenarbeit mit den beteiligten Firmen und wirtschaftlicher Vertretbarkeit. Mit Hilfe des Lastenhefts wird eine Konstruktionszeichnung für den Grobentwurf des Raupenfahrzeugs erstellt, in der sämtlichen Hauptabmessungen und die wichtigsten angreifenden Belastungen dargestellt sind. Der Aufbau der Raupe samt Profilierung wird in detaillierter Form gesondert dargestellt.

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