dass beispielsweise die Str¨omung nur an einem von vier Rudern berechnet werden muss.
Des Weiteren wurde der Str¨omungsraum so groß gew¨ahlt, dass keine Randeinfl¨usse durch einen eingeschr¨ankten Raum das Rechenergebnis beeinflussen. Die Str¨ omungsgeschwin-digkeit wurde mit 4,11 m/s festgelegt, was 8 Knoten entspricht. Das Ruder wurde in der Rechnung um den Anstellwinkelα= 30°ausgelenkt. Die Auswertung der CFD-Simulation liefert die Kr¨afte am Ruder in allen drei Raumrichtungen. Dabei resultierten, die in Tabel-le 5-1 dargestellten Kr¨afte. Die Kraft in y-Richtung resultiert aus Rechenungenauigkeiten
Wirkrichtung Kraft [N]
FW 54
Fy 1
FA 105
Tab. 5-1 Rechenergebnisse der CFD-Simulation f¨ur das mit 30° ausgelenkte Ruder
und wird daher vernachl¨assigt. Die angreifenden Kr¨afte wirken im Volumenschwerpunkt, der sich vom Koordinatenursprung an der oberen Ecke der vorderen Ruderkante 76,2 mm in x-Richtung und 71,7 mm in y-Richtung befindet. Die Ruderwelle befindet sich 31,7 mm weiter vor dem Volumenschwerpunkt und bildet somit einen Hebelarm x, der wiederum das Rudermoment erzeugt, welches vom Ruderstellmodul aufgebracht werden muss. Das maximale Drehmoment ergibt sich nach:
MR = x(FWsinα+ FAcosα) (5-7)
zu MR = 3,744 Nm.
Leit-Lagerring Haupantriebsabdeckung Hauptantrieb
Ruder
Leitflächen
Abschlussleisten
Ruderhebel Grundplatte
Motorflansch
Ruderachse
Abb. 5-5 CAD-Ansicht der Ruderanlage f¨ur die Versuchsplattform DNS Pegel
fl¨achen in Sternanordnung aufgebaut. Direkt hinter den Leitfl¨achen befinden sich die Ruderfl¨achen. Die Ruderachsen laufen in einem so genannten Lagerring, wobei jede Ru-derachse an zwei Punken gelagert ist: Im Lagerring und jeweils in einer Abschlussleiste, die die Leitfl¨achen nach außen abschließen.
Eine Lagerung mittels Kugellager ist f¨ur diesen Fall ungeeignet. Kugellager aus rostfrei-em Stahl oder Keramik erreichen im Einsatz wegen ihrer großen Lagerfl¨achen keine hohe Lebenserwartung, da zum Beispiel feine Sandpartikel im Seewasser schnell die Lager zu-setzen. Weiterhin ben¨otigen Kugellager mehr Konstruktionsraum als Gleitlager. Daher er-folgt die Lagerung durch Kunststoffgleitlager. Die Gleitlager Iglidur H370 der Firma Igus sind speziell f¨ur den Einsatz im Unterwasserbereich konzipiert [Igu04]. Sowohl die Ru-der als auch die Leitfl¨achen bestehen aus syntaktischem Schaum, welcher f¨ur zus¨atzlichen Auftrieb sorgt. Die einzelnen Ruder werden durch einen auf der Ruderachse befestigten Hebel angesteuert. Dabei sind die beiden Seitenruder durch eine Kupplung miteinander verbunden. Die H¨ohen- oder Querruder werden hingegen einzeln angesteuert, was den zu-vor beschriebenen Ausgleich des vom Hauptantrieb induzierten Drehmoments erm¨oglicht.
Abbildung 5-5 zeigt den Aufbau der Ruderanlage mit integrierten Ruderstellmodulen in der CAD-Ansicht.
Abb. 5-6 Vernetztes CAD-Modell mit den durch das eingeschlossenen Wasservolumen resultierenden Lasten (rot) und der Einspannung (gr¨un)
Die gesamte Ruderanlage ist im Innern mit Wasser geflutet. Weil es dem im Innern be-findlichen Wasservolumen nicht m¨oglich ist, beim Bergen schnell herauszulaufen, wirkt die gesamte Gewichtskraft des eingeschlossenen Wasservolumens auf die Konstruktion.
Um den Nachweis der Festigkeit der Ruderanlage zu erbringen, wurde mittels FEM eine
Abb. 5-7 Mittels FEM errechnete Verschiebungen der Grundkonstruktion der Ruderan-lage
Festigkeitsanalyse durchgef¨uhrt.
Der Einfluss des Eigengewichts der Konstruktion mit ca. 21 kg ist bei diesen Belastun-gen als vernachl¨assigbar anzusehen. Um die Belastungen zu modellieren, wurden zwei zylinderf¨ormige Wasservolumina angenommen. Ein Wasservolumen befindet sich vor der Grundplatte, das andere dahinter. Zusammen erzeugen sie eine Belastung von 250 N auf die Struktur (siehe Abbildung 5-6). Um die Belastungen durch das Eigengewicht der Ru-deranlage in die Modellierung mit einzubeziehen, wurde die Last auf 300 N erh¨oht. Bevor die FE-Analyse gestartet werden kann, m¨ussen das CAD-Modell in finite Elemente un-terteilt und die Lasten und Einspannungen festgelegt werden (siehe Abbildung 5-6).
Die FEM-Analyse zeigt, dass eine ausreichende Festigkeit gegeben ist und eine maximale Auslenkung der Struktur von 1,1 mm zwischen Lagerring und der Grundplatte auftritt (siehe Abbildung 5-7). Diese Verformung der Struktur in diesem Maße ist in Betrieb der druckneutralen Versuchsplattform DNS Pegel vertretbar. Zus¨atzlich kommen bei der Ge-samtstruktur noch die versteifenden Leitfl¨achen mit den Abschlussleisten hinzu, welche zus¨atzlich zur Festigkeit beitragen.
Die Anlenkung der jeweiligen Ruder erfolgt ¨uber 60 mm lange Hebel, die eine an den Lagerring angepasste Kontur besitzen (siehe Abbildung 5-8 a). Dies ist sinnvoll, um die M¨oglichkeit zu bieten, Aggregate wie beispielsweise den heckseitigen Strahlantrieb inner-halb des Lagerrings zu integrieren. Im Betrieb stellte sich jedoch heraus, dass die Passfe-derverbindung zwischen dem Hebel und der Ruderachse eine unzureichende Festigkeit im dynamischen Betrieb der Ruderanlage aufweist. Daher wurden die Hebel f¨ur die Ruder-anlenkung ¨uberarbeitet (siehe Abbildung 5-8 b)
Die Hebel sind in der neuen Konstruktion ¨uber eine Schl¨usselfl¨ache auf der Ruderachse fixiert. Diese Verbindung ist spielfrei und wesentlich steifer als die alte Konstruktion. In den ersten Seeerprobungen wurde festgestellt, dass ein zus¨atzliches Seitenruder am Kiel ben¨otigt wird. Dieses wurde mittels einer Kupplung mit dem schon existierenden
Seiten-(a) (b)
Abb. 5-8 Alte (a) und neue (b) Konfiguration der Ruderanlenkung
a b
c d
e
f g h i
Abb. 5-9 Ansteuerung der Ruder. Grundplatte a), Ruderstellmodul b), Winkelsensor c), Igus Gleitlager im Lagerring d), Backbord Ruder e), Ruderhebel f ), Igubal Kugelk¨opfe g), Steuerbordruder h), Gleitlager in Abschlussleiste i)
ruder verbunden (siehe Abbildung 5-8 b). Die Kupplung ist in der Lage, ein kleines axiales Spiel aszugleichen. Da die Seitenruderverbindung den Bauraum innerhalb des Lagerrings ausf¨ullt und somit kein Platz f¨ur etwaige Einbaukomponenten vorhanden ist, sind die ge-kr¨ummten Ruderhebel nicht mehr n¨otig. Anstelle dieser wurde eine einfache aber dennoch steife Ruderanlenkung verwendet.
Die Anlenkung der Ruderhebel erfolgt ¨uber ein Gest¨ange (siehe Abbildung 5-9). An den beiden Enden des Gest¨anges befinden sich Kugelk¨opfe, die verhindern, dass die Ruderhebel mit dem Ruderstellmodul fluchten m¨ussen. Die zwei zueinander verdrehbaren Kugelk¨opfe erlauben somit eine freie Positionierung der Ruderstellmodule. Die Positionierungsfrei-heit geht allerdings mit einem nicht linearen ¨Ubertragungsverhalten der Stellbewegungen zwischen Ruderstellmodul und Ruder einher. Auf dieses Problem wird im Laufe des Ab-schnitts 6.3 eingegangen.
Als Gelenke f¨ur die Verbindungsstangen werden Igubal-Kugelk¨opfe der Firma Igus ver-wendet (siehe Abbildung 5-9). Sie erlauben auch unter widrigen Umweltbedingungen einen spielfreien Betrieb und sind zudem korrosionsbest¨andig [Igu03]. Die Kugelkalotte besteht bei diesen Gelenkk¨opfen aus Iglidur W300, einem Werkstoff, der sich durch niedrige Rei-bung und ¨außerst geringe Stick-Slip-Neigung auszeichnet. Das Geh¨ause ist aus Igumid G gefertigt, einem besonders schlagfesten, faserverst¨arkten Polymer. Die ausgew¨ahlten
Ge-lenkk¨opfe k¨onnen eine maximale statische Zugbelastung von 700 N unbeschadet ¨ uberste-hen. Kurzzeitig k¨onnen sie mit bis zu 1.400 N belastet werden. In der Ruderanlage treten Kr¨afte von weniger als 340 N an den Ruderhebeln auf, daher ist diese Verbindung sicher ausgelegt.
6 Ruderstellmodul
In der ersten Version der Ruderanlage wurden die Ruder durch einen Stellmotor mit innenliegender Spindel angetrieben. Dabei wurde die Spindel rotationsfest an dem Ruder-hebel befestigt. Der einachsig neigbare Stellmotor dreht die im Motor liegende Mutter, so dass die Spindel axial durch den Stellmotor verschoben wird und somit das Ruder anlenkt (siehe Abbildung 6-1).
Dieser Aufbau der Ruderanlenkung bedeutet jedoch, dass der Stellmotor in der gleichen Neigungsebene liegen muss, wie der dazugeh¨orige Ruderhebel. Bei der Erprobung dieser Konfiguration zeigten sich gleich mehrere Nachteile. Zum einen zeigte sich, dass sich die Lager, die im Stellmotor als Spindelmutter fungieren, im Betrieb sehr schnell erw¨armen und zum Klemmen neigen. Zum anderen gestaltete es sich als sehr schwierig den Stellmo-tor zu dem jeweiligen Ruderhebel auszurichten. Weiterhin f¨uhrt die geringste Verformung der Struktur der Ruderanlage zu großen Radialkr¨aften an der Spindelmutter und somit zum Klemmen der Lager im Stellmotor. Zudem erwies sich die f¨ur die Reglerauslegung n¨otige Flexibilit¨at als nicht ausreichend. Durch die Kopplung der zwei Seitenruder war ebenfalls keine Winkelmessung direkt an den Ruderachsen mehr m¨oglich. Daher wurde ein neues Konzept f¨ur die Ansteuerung der Ruder entwickelt.
Bei der neuen Konstruktion wurden der elektrische Antrieb, das Getriebe und die Win-kelmessung in einem Modul zusammengefasst. Das so entstandene Ruderstellmodul ist in der Lage, jedes Ruder einzeln in der Ruderanlage anzusteuern.
Flansch Ruder Spindel
Ruderachse Motor
Abb. 6-1 Erster Entwurf der Anlenkung der Ruder mit Stellmotor und innenliegender Spindel