WindGear by Joern Heinrich, mechanical selfsteering for sail yachts
WindGear by Joern Heinrich - servo pendulum selfsteer BASICS: Servokraft, Übertragungsmechanik, Ruderreibung

Das Drehmoment M[Nm], welches ein angestelltes Servoruder in seiner Pendelachse entwickelt, ist in erster Näherung proportional:

- zu seiner eingetauchten Fläche A[m2],
- zum Quadrat der Geschwindigkeit durchs Wasser v[m/s]
- zum Abstand des Flächenschwerpunktes von der Pendelachse L[m]
Die Proportionalität wird bei geringen Anstellwinkeln (a°) präzisiert durch den Auftriebskoeffizienten ca[dimensionslos] des angestellten Ruders, der vom Ruderprofil und dem Anstellwinkel abhängt (d bezeichnet die Dichte des Mediums [kg/m3]):

M = ca * A * v2 * L * d/2

Für ein NACA0012-Profil beispielsweise findet man tabellierte Werte für ca=f(a°) aus Windkanalmessungen.

Die zur Zeit weltweit verkauften Anlagen haben nahezu alle eine festgelegte, standardisierte Servorudergröße, ebenso wie einen festgelegten Winkel der Windfahnenachse zur Horizontalen (20°). Die Schaftlänge wird üblicherweise an das Freibord der Yacht angepaßt. Wie man aus der obigen Gleichung entnehmen kann, ist die Kraft, die das Servoruder zur Bewegung des Hauptruders aufbringt, sehr stark von der Bootsgeschwindigkeit abhängig.

Hinsichtlich der Übertragungsmechanik arbeiten die allermeisten Anlagen mit fest vorgegebener linearer 2:1-Untersetzung des Windfahnenausschlags auf die Servoruderanstellung (TWA). Man muss in der Übertragungsmechanik von Windfahne zu Servoruder unterscheiden zwischen:

  • Transmission von Windfahnenausschlag auf Servoruder-Pendelwinkel (TWP)
  • Transmission von Windfahnenausschlag auf Servoruder-Anstellung (TWA)

Es entspricht nach einpendeln und Selbst-Rückstellung des Servoruders an der Mechanik in Schiffslängsachse bei allen Pendelanlagen in jedem Fall einem bestimmten Windfahnenausschlag ein korrespondierender Servoruder-Pendelwinkel. Diese ist die Transmission von Windfahnenausschlag zu Servoruder-Pendelwinkel (TWP). Sie sollte so gewählt sein, dass das Pendelruder auch bei vollem Windfahnenausschlag noch nicht wesentlich aus dem Wasser auftaucht. Oft wird diese Transmission vom Verhältniss der Länge des Horizontalhebels(A) an der Windfahne zur Länge des Hebels(B) festgelegt, der an einem in Pendelachse befindlichen Drehschaft befestigt ist. Dieser Drehschaft ist für die Anstellung des Servoruders zuständig, und an diesem richtet sich das Servoruder wieder in Schiffslängsrichtung aus, wenn es seitlich auspendelt. Beide Hebel, der an der Windfahne sowie der unten am Drehschaft sind in gewissen Bereichen bei der WindGear-Anlage einstellbar.

Das Übersetzungsverhältnis (TWA) von Windfahnenausschlag (a) auf die Drehung des Servoruders um seine Hochachse (b) dagegen bestimmt die Kraftentwicklung des Servoruders bei einer bestimmten Kursabweichung. Und damit auch, wie schnell die Korrektur des Kurses über das Hauptruder erfolgt. Hier ist generell neben dem Servoruderdrehmoment einer der Ansatzpunkte, um eine Servo-Pendelruderanlage an die zum Steuern benötigte Kraft sowie Schiffswendigkeit anzupassen, was selbstredend mit einer diesbezüglich festgelegten Transmission von Windfahnenausschlag zu Ruderanstellung (Z-Schaft in Schlitzhülse, Kegelräder, Zahnräder) nicht möglich ist.
Dass die meisten kommerziellen Anlagen mit Kegelradgetriebe mit einer Untersetzung TWA= 1 : 0.5 =2 den Ausschlag der Windfahne (z.Bsp 10°) auf die Anstellung des Servoruders (Bsp: 5°) leiten, ist der festgelegten Windfahnenneigung geschuldet.
Bei der WindGear-Anlage jedoch ist dieser TWA-Wert rechneroptimiert kleiner als zwei gewählt, was einer höheren Kraftentwicklung durch größere Servoruderanstellung (b) bereits bei geringen Kursabweichungen zugute kommt, und dies bedeutet letztlich generell präziseres Steuern mit weniger Schlangenlinien.
Möglich wurde diese geringere TWA-Untersetzung der WindGear nur dadurch, dass das Servoruder mit der präzisen Kugellager-Scharnierhalterung und durchgehendem Aufbau ohne Klappgelenk unter allen Umständen seine Hochachse exakt immer im Druckpunkt des Profils behält - über die gesamte Blattlänge. Dies ist einerseits eine Voraussetzung für geringstmöglichen Verschleiß der Übertragungsmechanik als auch Garant dafür, dass die Windfahne in Vorausfahrt das Servoruder dreht, und nicht umgekehrt.
Die einstellbare Windfahnenachsenneigung der WindGear wiederum läßt in weitem Bereich eine Einstellung zu, welcher Ruderkorrekturwinkel bei welcher Kursabweichung erzeugt wird: Je horizontaler die Neigung der Windfahnenachse, umso größer der Ruderkorrekturwinkel für eine bestimmte Kursabweichung.

RUDERREIBUNG
Wenn das Ruderlager klemmt oder schwergängig ist, ist ein guter Teil der Leichtwindfähigkeit als auch der hervorragenden Steuerpräzision der WindGear dadurch blockiert und ausgenullt.
Dann kann man auch guten Gewissens eine gleitgelagerte Anlage von der Stange nehmen, die erst bei 3.5 kn anfängt, ordentlich zu steuern.
Das Ruder MUSS zur vollen Ausnutzung der Fähigkeiten der WindGear-Anlage LEICHTGÄNGIG sein. Nicht etwa, dass man das Ruder schnell bewegen können müsste, keineswegs. Aber man sollte es mit zwei Fingern einer Hand ganz leicht in langsame Bewegung setzen können. "Leichtgängig" bedeutet dann, dass man dafür in langsamer Fahrt maximal im Bereich von 1-2 N oder 100 - 200g "Zugkraft" braucht.

Was sind die Folgen hoher Ruderreibung/klemmenden Ruders?

1. Das Schiff muss stärker vom gesetzten Kurs abweichen, bevor eine Ruderkorrektur durch eine WSA erfolgt. Dadurch wird der Kurs unpräziser und weicht mehr nach beiden Seiten vom Idealkurs ab (mehr Schlangenlinie).
Abhilfe: Windfahnenachse steiler einstellen und zur Kompensation den Ansatzpunkt an der Pinne weiter von der Schiffsruderachse entfernt wählen, dadurch größerer Hebel an der Pinne, jedoch eingeschränkter Ruderkorrekturweg: Raumschotnachteil. Größeres und damit kräftigeres Servoruder verwenden zur schnelleren Überwindung der Anfangsreibung des Schiffsruders.

2. Die Steuerleinen werden sich schneller längen und schneller verschleißen.
Abhilfe: Stabile, reckarme Steuerleinen (4-5 mm Liros Fallenmaterial) verwenden, Vorspannungseinstellung der Steuerleine auf die benötigte Reibungsüberwindung (N) mit Gummistropps als Ruckdämpfern, Steuerleinen einfetten.

3. Die Leichtwindfähigkeit der Anlage ist stark eingeschränkt.
Abhilfe: größeres Servoruder oder ... die Ruderlagermuffe präzise ausdrehen lassen... ;-)

4. Die Fähigkeit, eine schnelle Windrichtungsänderung (Welleneinfluß, Boe) Amwind genügend schnell aussteuern zu können, ist eingeschränkt.


Weiter zu GRUNDLAGEN:Transmission, die Übertragung von Kursfehler auf Ruderkorrektur