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Die Erfindung betrifft eine schocksichere Ruderanlage.
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Aus der nachveröffentlichten
DE 10 2021 211 387 ist ein druckfester Kolbenmedientrenner für einen Linearantrieb einer Schiffsrudermaschine bekannt. Ein entsprechender Linearantrieb für eine Schiffsrudermaschine ist aus der
DE 10 2016 204 248 A1 bekannt.
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In der
DE 101 58 870 A1 ist eine redundante elektrische Antriebsvorrichtung zum Antrieb eines Ruders an einem Schiff mit einem eine Gewindespindel und eine Spindelmutter aufweisenden Gewindetrieb und mit zwei elektrischen Drehmomentmotoren, die eine Hohlwelle aufweisen, die hintereinander konzentrisch zu dem Gewindetrieb angeordnet sind und die das eine Teil des Gewindetriebs gemeinsam oder einzeln in entgegengesetzte Drehrichtungen anzutreiben vermögen, offenbart. Die beiden Elektromotoren besitzen eine gemeinsame Hohlwelle und das drehbare Teil des Gewindetriebs ist verdrehsicher mit der Hohlwelle verbunden oder die Hohlwelle selbst.
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Aus der
DE 10 2010 015 665 A1 ist ein Linearantrieb für eine Schiffsrudermaschine bekannt, bei dem ein Gewindetrieb mit Gewindespindel und Spindelmutter von mindestens einem elektrischen Torquemotor rotatorisch angetrieben wird, wobei ein als Hohlwelle ausgebildeter Rotor des Torquemotors mit dem Gewindetrieb in Verbindung steht. Der Torquemotor ist ein rippelkraftfreier Synchron-Torquemotor. Der Gewindetrieb ist ein losefreier Planetenrollengewindetrieb. Der Torquemotor bildet mit dem rotierenden Teil des Gewindetriebs einen einheitlichen Rotor, der in lediglich zwei Rotorlagerungen gelagert ist. Wenigstens eine der Rotorlagerungen ist mindestens axial vorgespannt.
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Aus der
DE 20 2005 005 848 U1 ist eine Rudermaschine für ein Schiff mit mindestens zwei elektromotorischen Antrieben, von denen einer ein Hauptmotor und der andere ein Hilfsmotor ist, mindestens zwei redundanten Sensoren zum Erfassen der Winkellage des Ruderblatts und mindestens einer Steuerung bekannt. Mindestens zwei redundante Steuerungen sind vorgesehen, die jeweils mit dem Hauptmotor und jeweils einem Sensor verbunden sind, während eine dritte Steuerung mit dem Hilfsmotor verbunden ist, wobei Haupt- und Hilfsmotor eine gemeinsame Antriebswelle aufweisen.
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Aus der
DE 103 32 001 B3 ist ein Schockdämpfungselement, welches als Gasdruckfeder ausgeführt ist, bekannt.
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Um die Linearbewegung in die Drehbewegung des Ruders umzusetzen, weist das Ruder auf der Bootsinnenseite einen Ruderhebel auf. An diesem greift eine Ruderstange an, die wiederum über einen Kreuzkopf durch den Linearantrieb angetrieben wird. Der Ruderhebel und die Ruderstange sind drehbar miteinander verbunden, um die Linearbewegung in eine Drehbewegung umzusetzen.
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Gerade im militärischen Bereich besteht die Anforderungen, dass alle Bauteile schockfest sind. Es ist daher notwendig, die gesamte Ruderanlage so zu konstruieren, dass diese bei einer Schockbelastung nicht zerstört wird. Ein wichtiger Punkt ist hierbei, dass die Richtung einer Schockbelastung nicht vorhergesagt werden kann, diese Belastung also in beide Richtungen erfolgen kann. Somit muss ein Bauteil in der Ruderanlage sowohl auf Druck als auch auf Zug ausgelegt sein, vorzugsweise in gleicher Art und Weise.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine schocksichere Ruderanlage bereit zu stellen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch Ruderanlage mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
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Die erfindungsgemäße Ruderanlage weist ein Ruderblatt, einen Rudermotor und eine zwischen dem Rudermotor und dem Ruderblatt angeordnete Ruderstange auf. Üblicherweise ist das Ruderblatt auf einer Ruderwelle angeordnet. Die Ruderwelle ist mit einem Ruderhebel verbunden. An diesen Ruderhebel greift die Ruderstange an, um das Ruderblatt zu drehen. Der Rudermotor ist bevorzugt ein Linearantrieb, wie er beispielsweise aus der
DE 10 2016 204 248 A1 bekannt ist. Die Ruderstange verbindet den Rudermotor und das Ruderblatt kraftschlüssig miteinander.
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Erfindungsgemäß weist die Ruderstange einen ersten Verbindungspunkt und einen zweiten Verbindungspunkt auf. Der erste Verbindungspunkt kann mit dem Rudermotor und der zweite Verbindungspunkt mit dem Ruderblatt, insbesondere über den Ruderhebel, oder der zweite Verbindungspunkt kann mit dem Rudermotor und der erste Verbindungspunkt mit dem Ruderblatt, insbesondere über den Ruderhebel, verbunden sein. Bevorzugt ist die Verbindung am Verbindungspunkt jeweils drehbar, um eine Übersetzung einer Linearbewegung in eine Drehbewegung zu ermöglichen, wie zwischen einem Kolben und einem Pleuel. Die Ruderstange weist einen Zylindermantel auf. Der Zylindermantel ist somit das äußere Gehäuse der Ruderstange. Der Zylindermantel ist starr mit dem ersten Verbindungspunkt verbunden. Besonders bevorzugt sind diese aus einem Bauteil gefertigt.
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Die Ruderstange weist eine Innenstange auf. Die Innenstange kann beispielsweise massiv oder rohrförmig ausgebildet sein. Weiter kann die Innenstange einteilig ausgebildet sein oder aus zwei oder mehr Teilen zusammengesetzt sein. Die Innenstange ist starr mit dem zweiten Verbindungspunkt verbunden, insbesondere ist die Innenstange so ausgeführt, dass diese den zweiten Verbindungspunkt aufweist. Die Innenstange ist teilweise innerhalb des Zylindermantels angeordnet. Dieses bedeutet, dass die Innenstange zum Teil aus dem Zylindermantel herausragt. In diesem herausragenden Teil ist bevorzugt der zweite Verbindungspunkt angeordnet. Zwischen der Innenstange und dem Zylindermantel ist ein Federelement angeordnet. Die Innenstange weist einen ersten Mitnehmer und einen zweiten Mitnehmer auf. Beispielsweise und insbesondere ist die Innenstange so ausgebildet, dass der erste Mitnehmer und der zweite Mitnehmer als Erhöhungen auf der Außenseite der Innenstange ausgebildet sind. Der erste Mitnehmer und der zweite Mitnehmer sind jeweils an den gegenüberliegenden Seiten des Federelements angeordnet. Der Zylindermantel weist eine Vertiefung zur Aufnahme des Federelements auf. Die Vertiefung kann beispielsweise durch Ausdrehen hergestellt sein. Die Vertiefung kann auch durch Erhöhungen an den beiden Enden der Vertiefung gebildet werden. Wesentlich ist, dass die Vertiefung einen maximalen Raum für das Federelement zur Verfügung stellt. Durch die Vertiefung und die Mitnehmer kann das Federelement sowohl bei Zug als auch bei Druck auf die Innenstange zusammengedrückt werden, wodurch die Federcharakteristik in beide Richtungen identisch ist. Das Federelement ist in der Vertiefung unter einer Vorspannung angeordnet. Vorspannung bedeutet, dass das Federelement in einem gegenüber einem entspannten Federelement bereits zusammengedrückten Zustand in den Bauraum integriert ist. Somit liegt an dem Federelement eine Vorspannung an, auch wenn die Ruderstange selbst im unbelasteten Zustand vorliegt. Erst wenn die Kraft durch die Schockbelastung die Vorspannkraft des Federelements übersteigt, wird das Federelement weiter zusammengedrückt und die Innenstange bewegt sich. Die Vorspannkraft ist hierbei vorzugsweise so dimensioniert, dass sich auch bei den höchsten im Regelbetrieb auftretenden Ruderkräfte die Innenstange sich nicht bewegt.
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Unbelasteter Zustand bedeutet in diesem Zusammenhang, dass über den ersten Verbindungspunkt beziehungsweise den zweiten Verbindungspunkt keine von außen wirkende Kraft eingekoppelt wird. Der unbelastete Zustand bezieht sich somit auf die Ruderstange als Ganzes. Aufgrund der Vorspannung, welche durch den Einbau erzeugt und vorgegeben wird, ist das Federelement damit natürlich auch im von außen unbelasteten Zustand nicht in einem vollständig entspannten Zustand.
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Damit ergibt sich die Situation, dass das Federelement den Raum der Vertiefung im unbelasteten Zustand maximal ausnutzen kann. Wird die Innenstange aufgrund einer Schockbelastung bewegt, so führt beispielsweise der erste Mitnehmer dazu, dass sich der Platz für das Federelement verkürzt. Diese Bewegung wird somit durch das Federelement zwar ermöglicht, aber gleichzeitig abgefedert. Bei der gleichen Bewegung entfernt sich der zweite Mitnehmer vom Federelement, das Federelement bleibt jedoch aufgrund seines Kontakts mit dem Rand der Vertiefung des Zylindermantels in seiner Position. Bei der Bewegung in die Gegenrichtung sieht es analog nur umgekehrt aus. Das führt dazu, dass jede schockbedingte Bewegung, egal in welche Richtung, in identischer Weise abgefedert wird.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Ruderstange ein erstes Federmitnahmeelement und ein zweites Federmitnahmeelement auf. Das erste Federmitnahmeelement ist zwischen dem ersten Mitnehmer und dem Federelement angeordnet, das zweite Federmitnahmeelement ist zwischen dem zweiten Mitnehmer und dem Federelement angeordnet. Das erste Federmitnahmeelement ist derart in der Vertiefung des Zylindermantels angeordnet, dass die dem Federelement gegenüberliegende Seite des ersten Federmitnahmeelements an die seitliche Begrenzung der Vertiefung im unbelasteten Zustand anliegt. Das zweite Federmitnahmeelement ist ebenfalls derart in der Vertiefung des Zylindermantels angeordnet, dass die dem Federelement gegenüberliegende Seite des zweiten Federmitnahmeelements an die seitliche Begrenzung der Vertiefung im unbelasteten Zustand anliegt.
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Damit ergibt sich die Situation, dass das Federelement den Raum der Vertiefung zwischen dem ersten Federmitnahmeelement und dem zweiten Federmitnahmeelement im entspannten Zustand maximal ausnutzen kann. Wird die Innenstange aufgrund einer Schockbelastung bewegt, so führt beispielsweise der erste Mitnehmer dazu, dass das erste Federmitnahmeelement bewegt wird und sich der Platz für das Federelement somit verkürzt. Diese Bewegung wird somit durch das Federelement zwar ermöglicht, aber gleichzeitig abgefedert. Bei der gleichen Bewegung entfernt sich der zweite Mitnehmer vom zweiten Federmitnahmeelement, das zweite Federmitnahmeelement bleibt jedoch aufgrund seines Kontakts mit dem Rand der Vertiefung des Zylindermantels in seiner Position. Bei der Bewegung in die Gegenrichtung sieht es analog nur umgekehrt aus. Das führt dazu, dass jede schockbedingte Bewegung, egal in welche Richtung, in identischer Weise abgefedert wird.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Innenstange ein erstes Innenelement und ein zweites Innenelement auf. Das erste Innenelement und das zweite Innenelement sind längenveränderlich über ein Verbindungselement verbunden. Insbesondere sind das erste Innenelement und das zweite Innenelement jeweils über ein Schraubgewinde mit dem Verbindungselement verbunden. Durch diese mehrstückige Ausführung der Innenstange ist es möglich, diese exakt in eine Ruderanlage einzupassen. Fertigungstoleranzen auch der umliegenden Bauteile können so in einfacher Wiese ausgeglichen werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind das erste Federmitnahmeelement und das zweite Federmitnahmeelement ringförmig ausgebildet. Durch die ringförmige Ausbildung umschließen die Federmitnahmeelemente die Innenstange und können somit sowohl auf der Innenseite des Zylindermantels als auch auf der Innenstange leicht gleitend angeordnet werden. Die Federmitnahmeelemente weisen daher an der Kontaktfläche zur Innenseite des Zylindermantels und zur Innenstange bevorzugt Gleitelemente oder eine gleitfähige Beschichtung auf.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das Federelement aus Tellerfedern. Insbesondere sind die Tellerfedern in Reihenschaltung angeordnet. Tellerfedern eignen sich besonders gut, um im Regelbetrieb ein starres Verhalten zu zeigen und nur im Schockfall bei extrem hohen Kräften eine Verformung zu zeigen. Dieses kann durch eine hohe Vorspannung bei einem kleinen Bauvolumen erreicht werden. Bei der Verwendung von Tellerfedern ist zu berücksichtigen, dass diese beim Zusammendrücken sich verbreitern, sodass radial Platz dafür vorzusehen ist. Zusätzlich ist eine Schmierung der Tellerfedern vorteilhaft.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das Federelement aus mindestens zwei und höchstens fünfzig Federn, wobei zumindest zwei Federn unterschiedliche Federkennlinien aufweisen. In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform können die Federn auch unterschiedlich lang sein. Durch die Anordnung unterschiedlicher Federn in einem Federpaket kann gezielt ein bestimmtes Verhalten der Ruderstange erreicht werden, sodass beispielsweise eine vorbestimmte Krafteinwirkung erforderlich ist, um eine Komprimierung zu bewirken und stufenweise höhere Kräfte erforderlich werden, um eine weitere Komprimierung zu verursachen. Dieses kann beispielsweise durch eine unterschiedliche Dicke oder unterschiedliche Materialien von Tellerfedern realisiert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das Federelement aus einer Schraubenfeder.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das Federelement aus einer Gummifeder.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Zylindermantel zweiteilig ausgeführt. Insbesondere weist der Zylindermantel eine an der Außenseite angeordnete Flanschverbindung auf. Hierdurch ist nicht nur die Montage deutlich einfacher, hierdurch kann auch die Vorspannung des Federelements eingestellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das zweite Innenelement einen starr mit dem zweiten Innenelement verbundenen Kolben auf. In dieser Ausführungsform ist das zweite Innenelement rohrförmig ausgebildet und somit vergleichsweise leicht. Der zusätzliche Kolben sorgt für eine Versteifung. Hierdurch kann gegenüber der massiven Bauweise Gewicht eingespart werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Kraft zur Komprimierung des Federelements höher als die maximale im regulären Betrieb auftretende Kraft zur Verstellung des Ruders. Somit verhält sich die Ruderstange im Normalbetrieb steif und nur im Schockfall wird das Federelement zusammengedrückt. Dieses wird durch die Einstellung der Vorspannung erreicht, wobei die Vorspannung höher gewählt wird, als die im Regelbetrieb auftretenden Kräfte.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Innenräume mit einem Gas bei einem Druck von mehr als 1 bar gefüllt. Da die Ruderanlage üblicherweise dem umgebenden Druck des Wassers ausgesetzt ist, ist ein erhöhter Innendruck vorteilhaft. Beispielsweise unterstützt ein hoher Innendruck die Dichtwirkung und verhindert so das Eindringen von Wasser.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Zylindermantel und der Innenstange am Eintrittspunkt der Innenstange in den Zylindermantel eine Gleitführung angeordnet.
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Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Ruderanlage anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
- 1 Ruderanlage
- 2 Ruderstange im entspannten Zustand
- 3 Ruderstange im gestauchten Zustand
- 4 Ruderstange im gedehnten Zustand
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In 1 ist eine Ruderanlage 10 stark schematisiert gezeigt. Das Ruderblatt 20 weist eine Achse und einen an der Achse befindlichen Hebel auf. An den Hebel greift die Ruderstange 40 an, die selber vom Rudermotor 30 angetrieben wird. Wird im gezeigten Beispiel die Ruderstange 40 vom Rudermotor 30 nach links bewegt, wird das Ruderblatt 20 über den Hebel derart verstellt, dass die rechte Kante nach unten und die linke Kante nach oben bewegt wird. Wird im gezeigten Beispiel die Ruderstange 40 vom Rudermotor 30 nach rechts bewegt, wird das Ruderblatt 20 über den Hebel derart verstellt, dass die rechte Kante nach oben und die linke Kante nach unten bewegt wird. Kommt es nun zu einer Schockbelastung bei der beispielsweise die linke Kante des Ruderblattes 20 nach unten Bewegt wird, so wird hierdurch die Ruderstange 40 zwischen dem Ruderblatt 20 und dem Rudermotor 30 zusammengedrückt.
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2 zeigt eine Ruderstange 40 im entspannten Zustand, 3 im gestauchten Zustand unter Druck und 4 im gedehnten Zustand unter Zug.
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2 zeigt die Ruderstange 40 im nicht von außen belasteten Zustand. Dieser Zustand liegt auch vor, wenn die auftretenden Kräfte unterhalb der Vorspannung liegen, also im Regelbetrieb nur die normalen Ruderkräfte auftreten und dabei die Ruderstange 40 sich starr verhält. Prinzipiell ist es dabei egal, ob der erster Verbindungspunkt 51 mit dem Rudermotor 30 und der zweite Verbindungspunkt 52 mit dem Ruderblatt 20 verbunden ist oder genau anders herum.
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Die Ruderstange weist einen Zylindermantel 60 auf, der fest mit dem erste Verbindungspunkt 51 verbunden ist. Die Innenstange ist im gezeigten Beispiel dreistückig ausgeführt und besteht aus dem ersten Innenelement 71 und dem zweiten Innenelement 72, welche über das Verbindungselement 73 starr, aber bei der Montage längenveränderlich, miteinander verbunden sind. Die Innenstange weist den zweiten Verbindungspunkt 52 auf.
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Das Wesentlich ist nun im Bereich der Vertiefung des Zylindermantels 60 zu erkennen. In diesem Bereich ist ein Federelement 100 angeordnet, insbesondere als eine Reihenschaltung von Tellerfedern. In der Vertiefung sind weiter das erste Federmitnahmeelement 80 und das zweite Federmitnahmeelement 90 angeordnet. Diese stehen in direktem Kontakt mit der durch den Zylindermantel 60 gebildeten Auswand der Vertiefung, sodass das Federelement 100 auch im unbelasteten Ruhezustand hierdurch vorgespannt in der Vertiefung zwischen dem Zylindermantel 60 und der Innenstange angeordnet ist.
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Wesentlich sind nun der erste Mitnehmer und der zweite Mitnehmer, die als Erhöhungen der Innenstange ausgeführt sind und im unbelasteten Zustand sich ebenfalls direkt an das erste Federmitnahmeelement 80 beziehungsweise das zweite Federmitnahmeelement 90 anlehnen.
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Der Effekt wird bei Belastung besonders deutlich. In 3 ist der gestauchte Zustand gezeigt. Hierbei ist die Innenstange weiter hineingedrückt. Dadurch drückt der erste Mitnehmer das erste Federmitnahmeelement 80 weiter in das Innere. Da das zweite Federmitnahmeelement 90 an der Wand des Zylindermantels 60 anliegt, kann das zweite Federmitnahmeelement 90 sich auch nicht bewegen, obwohl der zweite Mitnehmer ebenfalls weiter in das Innere bewegt wird. Dadurch wird der für das Federelement 100 zur Verfügung stehende Raum entsprechend verkürzt. Ganz analog sieht diese auch im in 4 gezeigten gedehnten Zustand aus. Die Innenstange ist nun weiter hinausgezogen. In diesem Fall nimmt der zweite Mitnehmer das zweite Federmitnahmeelement 90 mit und verkürzt damit ebenfalls den dem Federelement 100 zur Verfügung stehenden Raum in gleicher Weise nur in die andere Richtung. Der Effekt ist, dass bei Dehnung oder Stauchung der Raum für das Federelement jeweils in gleicher Weise reduziert wird. Dadurch ist das Federverhalten in beide Richtungen identisch.
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Bezugszeichen
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- 10
- Ruderanlage
- 20
- Ruderblatt
- 30
- Rudermotor
- 40
- Ruderstange
- 51
- erster Verbindungspunkt
- 52
- zweiter Verbindungspunkt
- 60
- Zylindermantel
- 71
- erstes Innenelement
- 72
- zweites Innenelement
- 73
- Verbindungselement
- 80
- erstes Federmitnahmeelement
- 90
- zweites Federmitnahmeelement
- 100
- Federelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102021211387 [0002]
- DE 102016204248 A1 [0002, 0011]
- DE 10158870 A1 [0003]
- DE 102010015665 A1 [0004]
- DE 202005005848 U1 [0005]
- DE 10332001 B3 [0006]
