DE102009002109A1

DE102009002109A1 - Verfahren zum Überprüfen eines Spurwinkels bei den Rudern eines Schiffes

Info

Publication number: DE102009002109A1
Application number: DE102009002109A
Authority: DE
Inventors: Adriano Zanfei
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2010-10-14
Also published as: US8577523B2; WO2010112480A3; EP2414221B1; WO2010112480A2; US20120016543A1; EP2414221A2

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Überprüfen eines Spurwinkels bei zumindest einem backbordseitigen Ruder (1) und zumindest einem steuerbordseitigen Ruder (2) eines Schiffes vorgeschlagen, welche elektronisch über eine Steuereinrichtung verstellt werden, wobei bei den Rudern (1, 2) verschiedene Spurwinkel eingestellt werden und aus diesen für jedes Ruder (1, 2) ein optimaler Spurwinkel in Echtzeit ermittelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen eines Spurwinkels bei den Rudern eines Schiffes gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
Beispielsweise sind für Schiffe innenbordseitige und außenbordseitige Antriebssysteme bekannt. Ein innenbordseitiges Antriebssystem besteht aus einem Motor, der in dem Schiffsrumpf angeordnet ist. Eine Antriebswelle ist über ein Untersetzungsgetriebe mit dem Motor verbunden, wobei die Antriebswelle durch den Schiffsrumpf geführt ist und am Ende einen antreibbaren Propeller zum Antrieb des Schiffes aufweist. Der Propeller strömt ein Ruder an. Das Ruder wird über eine Steuerungsanordnung zum Ausführen von gewünschten Manövern angesteuert, wobei üblicherweise mehrere Ruder, z. B. bezogen auf die Längsachse des Schiffes ein steuerbordseitig angeordnetes Ruder und ein backbordseitig angeordnetes Ruder, vorgesehen sind.
Es ist ferner eine elektronische Steuerungsanordnung für die Ruder eines Schiffes als so genanntes Steer-by-Wire-System bekannt. Bei diesem System wird die mechanische oder hydraulische Verbindung zwischen dem Steuerrad und den Rudern durch eine elektronische Steuereinrichtung und durch ein entsprechendes Netzwerk zum Übertragen der entsprechenden Signale ersetzt. Die elektronische Steuereinrichtung empfängt Signale von einem Sensor, der die Position des Steuerrades erfasst und in entsprechende Ausgangssignale umwandelt, um den elektrischen Aktuator jedes Ruders anzusteuern, der mit dem Ruder gekoppelt ist, um einen entsprechenden Steuerwinkel einzustellen. Zum Beispiel können zwei innenbordseitige Antriebssysteme verwendet werden, welche einem steuerbordseitigen und einem backbordseitigen Ruder des Schiffes zugeordnet sind.
Es hat sich gezeigt, dass bei einer Geradeausfahrt des Schiffes der Spurwinkel der beiden Ruder beziehungsweise ihre Relativposition zueinander den Strömungswiderstand des Schiffes erheblich beeinflusst. Bei bekannten Steuereinrichtungen sind eine Vielzahl von Testfahrten erforderlich, um manuell einen Spurwinkel in Abhängigkeit der charakteristischen Parameter jedes Schiffes zu ermitteln. Eine kontinuierliche Überprüfung kann bei den bekannten Anordnungen nicht durchgeführt werden.
Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Überprüfen eines Spurwinkels bei den Rudern eines Schiffes vorzuschlagen, mit dem eine kontinuierliche und automatisierte Überprüfung des Spurwinkels realisierbar ist, um den Strömungswiderstand zu minimieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Zeichnungen.
Demnach wird ein Verfahren zum Überprüfen eines Spurwinkels bei zumindest einem steuerbordseitigen Ruder und zumindest einem backbordseitigen Ruder eines Schiffes vorgeschlagen, wobei die Ruder über eine Steuereinrichtung elektronisch verstellt werden. Erfindungsgemäß wird vorgesehen, dass bei den Ruder verschiedene Spurwinkel schrittweise eingestellt werden, wobei aus diesen schrittweise ermittelten Spurwinkeln für jedes Ruder ein optimaler Spurwinkel in Echtzeit ermittelt wird.
Auf diese Weise kann mithilfe des vorgeschlagenen Verfahrens spezifisch für jedes Schiff in Abhängigkeit von der Rumpfform und sonstigen Parameter ein minimaler Strömungswiderstand kontinuierlich ermittelt werden und somit die maximale Geschwindigkeit für das jeweilige Schiff erhöht werden und gleichzeitig mechanische Belastungen, welche auf das Steuersystem wirken, minimiert werden. Ein besonderer Vorteil ergibt sich daraus, dass das erfindungsgemäße Verfahren quasi automatisiert durchgeführt wird, so dass auch zum Beispiel sich verändernde Umgebungsbedingungen bei der Ermittlung des optimalen Spurwinkels automatisch berücksichtigt werden.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Ruder in entgegengesetzte Richtungen bei Geradeausfahrt des Schiffes zum Beispiel schrittweise verstellt werden, wobei zu jedem eingestellten Spurwinkel der benötigte Energieverbrauch eines zugeordneten elektrischen Aktuators zum Beibehalten der eingestellten Positionen jedes Ruders ermittelt wird, so dass der Spurwinkel, dem der geringste Energieverbrauch zugeordnet ist, als optimaler Spurwinkel für das zugeordnete Ruder abgespeichert wird. Je nach dem, welcher Spurwinkel in Abhängigkeit der Schiffsparameter und der Umgebungsparameter als optimaler Spurwinkel ermittelt wird, kann eine Vorspur oder eine Nachspur an den Rudern des Schiffes eingestellt werden. Bei jedem überprüften Spurwinkel wird dann zum Ermitteln des erforderlichen Energieverbrauchs bei den Aktuatoren die anliegende Stromstärke gemessen, die notwendig ist, um das Ruder entgegen eines an dem Ruder anliegenden Strömungsmoments aufgrund der hydrodynamischen Kräfte in der vorbestimmten Steuerposition zu halten. Die jeweils eingestellte Stromstärke an den Motoren ist somit ein Maß für die auftretenden Kräfte bzw. für den Strömungswiderstand. Auf diese Weise kann der optimale Spurwinkel bestimmt werden, bei dem der Strömungswiderstand sein Minimum erreicht.
Der Einstellwinkel im Rahmen des Überprüfungsverfahren an jedem Ruder kann vorzugsweise auf einen Winkelbereich von +/–3° festgelegt werden. Es sind aber auch andere Winkelbereiche möglich. Die Ansteuerung der Ruder kann über die zentrale Steuereinrichtung erfolgen, die über ein Fahrzeugnetzwerk, z. B. dem CAN-Bus, mit der jeweiligen Ruderansteuerung gekoppelt ist. Die während des erfindungsgemäßen Überprüfens ermittelten Daten und Signale können über das Fahrzeugnetzwerk an die Steuerungseinrichtung zur Auswertung übertragen werden Vorzugsweise kann das Überprüfungsverfahren automatisch gestartet werden, wenn das Schiff z. B. eine konstante Geschwindigkeit bei einer Geradeausfahrt ausführt. Dadurch ist sichergestellt, dass ein konstantes Strömungsmoment an den Rudern aufgrund der hydrodynamischen Kräfte anliegt.
Eine andere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorsehen, dass das vorgeschlagene Verfahren entweder durch den Fahrer manuell oder auch automatisch während der Initialisierungsphase gestartet wird. Vorzugsweise sollte eine Geschwindigkeit von 10 Knoten während des Überprüfungsverfahrens nicht überschritten werden. Andernfalls kann das Verfahren automatisch unterbrochen werden.
Gemäß einer nächsten Weiterbildung der Erfindung kann bei dem Verfahren vorgesehen werden, dass bei einer Drehung des Steuerrads von mehr als +/–1° die Überprüfung automatisch abgebrochen wird. Auf diese Weise kann der Fahrer bei Bedarf jederzeit das vorgeschlagene Überprüfungsverfahren abbrechen bzw. unterbrechen. Somit können sicherheitskritische Situationen verhindert werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Teilansicht eines elektronischen Steuersystems zum Steuern eines Schiffes;
2 eine Detailansicht eines Ruders mit einem angedeuteten Einstellwinkelbereich zum schrittweisen Einstellen der Ruder im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überprüfen eines Spurwinkels.
In 1 ist ein steuerbordseitig angeordnetes Ruder 1 und ein backbordseitig angeordnetes Ruder 2 dargestellt, welche über eine elektronische Steuereinrichtung angesteuert werden, die nur durch einen Pfeil symbolisch angedeutet ist. Jedes Ruder 1, 2 weist jeweils einen elektrischen Aktuator 3, 4 und einen zugeordneten Motorantrieb 5, 6 zur Ruderansteuerung auf, um die vorgegebenen Steuerwinkel bzw. Spurwinkel einzustellen.
Die beiden Motorantriebe 5, 6 sind über ein Bussystem 7 zur Signal- bzw. Datenübermittlung miteinander und mit der Steuereinrichtung gekoppelt. An jedem Ruder 1, 2 ist durch eine gestrichelten Linie der mögliche Einstellwinkel β angedeutet, der bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahren schrittweise durchlaufen wird, um die bei jedem eingestellten Spurwinkel auftretenden hydrodynamischen Kräfte zu ermitteln und eine Bewertung des gewählten Spurwinkels in dem jeweiligen Fahrzustand des Schiffes vorzunehmen.
In 2 ist eine vergrößerte Darstellung eines der Ruder 1 exemplarisch dargestellt. Aus dieser Ansicht wird deutlich, dass der Einstellwinkel β in eine vorbestimmte Anzahl von Einstellschritten A, B, C, ... unterteilt ist. Ausgehend von dem Steuerwinkel von 0° kann jedes Ruder 1, 2 in jede Steuerrichtung z. B. um β = +3° bzw. um β = –3° verstellt werden. Auf diese Weise kann als Spurwinkel eine Vorspur oder auch eine Nachspur eingestellt werden, je nachdem welcher Spurwinkel als optimal erkannt wurde.
Beispielhaft ist in 2 der Einstellwinkel β in fünf Einstellschritte A, B, C, ... in jede Richtung ausgehend von dem Steuerwinkel 0° unterteilt.
Bei der schrittweisen Einstellung der verschiedenen Steuerwinkel wird jeweils der erforderliche Energieverbrauch des zugeordneten elektrischen Aktuators des Ruders während einer vorbestimmten Zeit z. B. 30 Sekunden ermittelt, um somit ein Maß für die jeweils in den verschiedenen Steuerwinkeln bzw. Spurwinkeln auftretenden hydrodynamischen Kräfte zu erhalten. Nach dem Durchlaufen des Einstellwinkelbereichs können die über das Fahrzeugnetzwerk 7 an die Steuereinrichtung übermittelten Daten und Signale ausgewertet werden, um den Einstellwinkel mit dem geringsten Energieverbrauch zu bestimmen. Danach kann der optimale Spurwinkel entsprechend abgespeichert werden. Der optimale Spurwinkel kann auch für den Fahrer auf einem Display angezeigt werden.

1: backbordseitiges Ruder
2: steuerbordseitiges Ruder
3: Ruder-Aktuator
4: Ruder-Aktuator
5: Motorantrieb
6: Motorantrieb
7: Netzwerk
β: Einstellwinkel
A, B, C: Einstellschritt

Claims

Verfahren zum Überprüfen eines Spurwinkels bei zumindest einem backbordseitigen Ruder (1) und zumindest einem steuerbordseitigen Ruder (2) eines Schiffes, welche elektronisch über eine Steuereinrichtung verstellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Rudern (1, 2) verschiedene Spurwinkel eingestellt werden, wobei aus diesen für jedes Ruder (1, 2) ein optimaler Spurwinkel in Echtzeit ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ruder (1, 2) in entgegengesetzte Richtungen bei Geradeausfahrt des Schiffes schrittweise verstellt werden, wobei zu jedem eingestellten Spurwinkel der benötigte Energieverbrauch eines zugeordneten elektrischen Aktuators (3, 4) zum Beibehalten der eingestellten Positionen jedes Ruders (1, 2) ermittelt wird, so dass der Spurwinkel, dem der geringste Energieverbrauch zugeordnet ist, als optimaler Spurwinkel für das zugeordnete Ruder (1, 2) abgespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optimale Spurwinkel ausgegeben und in einem Display angezeigt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Ruder (1, 2) als Einstellwinkel (β) ein Winkelbereich von +/–3° verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einer Drehung des Steuerrades von mehr als +/–1° deaktiviert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einer Geschwindigkeit des Schiffes von mehr als 10 Knoten deaktiviert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es manuell oder automatisch aktiviert oder deaktiviert wird.