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Die
Erfindung betrifft ein Ruder für
Schiffe gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Bekannt
ist, dass der Ruderkoker eines Rudersystems aus Schmiedestahl besteht,
so dass derartige Rudersysteme hohe Gewichte aufweisen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, für das Bauteil Ruderschaft einen
Alternativwerkstoff zum Schmiedestahl zu finden. Allerdings kann
eine alleinige Materialsubstitution bei dem Bauteil Ruderschaft
zu Schwierigkeiten im Gesamtsystem, z. B. Überschreitung maximal zugelassener
Lagerspalte, durch zu große
Unterschiede in den Steifigkeiten der Bauteile Ruderschaft und Ruderkoker
führen.
Aus diesem Grunde ist eine Werkstoffsubstitution ebenfalls für den Ruderkoker
vorgesehen, indem ein Ruderkoker mit einem geringen Gewicht geschaffen wird,
der trotz eines geringen Gewichts eine hohe Biegefestigkeit und
Verwindungssteifigkeit aufweist.
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Gelöst wird
diese Aufgabe bei einem Ruder gemäß der eingangs beschriebenen
Art mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
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Hiernach
besteht die Erfindung darin, dass der Ruderkoker des Rudersystems
aus dem Ruderblatt, dem Ruderschaft und dem Ruderkoker aus einem
Faserverbundwerkstoff besteht und nach dem Einsetzen und Ausrichten
in einem werftseitig vorbereiteten schiffbaulichen äußeren, bis
zur Unterkante der Headbox reichenden, Kokerrohr vergossen oder verklebt
wird.
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Der
Integration des Ruderkokers in Faserverbundbauweise in die schiffbauliche
Stahlstruktur erfolgt ähnlich
wie bei einem Stevenrohr: Der Ru derkoker wird in ein von der Werft
vorbereitetes schiffbauliches äußeres Kokerrohr,
das bis zur Unterkante der Headbox reicht, eingesetzt, ausgerichtet
und dann vergossen oder verklebt. Für die Unterkante des schiffbaulichen
Kokerrohrs sind Detaillösungen (z.
B. Einsetzen von Keilringen aus weichen Werkstoffen) zu finden,
um hier lokale Spannungskonzentrationen im Kokerrohr aus Faserverbundwerkstoff
zu reduzieren.
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Mit
der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des
Ruderkokers werden folgende Vorteile erreicht: Hauptargument für einen
Alternativwerkstoff zu Schmiedestahl sind die schwierige Beschaffungssituation
und die hohen Kosten für
große
Schmiedeteile. Der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen in Verbindung
mit einem effektiven Herstellungsverfahren erbringt Kostenvorteile.
Der Einsatz eines Ruderschaftes aus Faserverbundwerkstoff erfordert
ebenfalls die Werkstoffsubstitution beim Ruderkoker. Mit Faserverbundwerkstoffen
sind deutliche Gewichtsvorteile gegenüber Schmiedestahlbauteilen
zu erzielen. Das Einbringen des Ruderkokers in die schiffbaulich
vorbereitete Schiffsstruktur mittels Klebeverfahren erbringt technologische
Vorteile, wie bessere Ausrichtungsmöglichkeiten, Wegfall von Schweißungen und Schweißverzug.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Neben
der Ausgestaltung des Ruderkokers aus einem Faserverbundwerkstoff
besteht nach einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung auch der Ruderschaft des Rudersystems aus einem Faserverbundwerkstoff.
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Der
Faserverbundwerkstoff ist ein Kohlefaserverbundwerkstoff oder aus
Kohlefasern mit einer Epoxydharzmatrix oder ein Glasfaserverbundwerkstoff
mit Polyesterharzmatrix.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung sind der Ruderschaft und/oder der Ruderkoker
nach dem Faserwickelverfahren (Filamentwinding) hergestellt.
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Der
Einsatz eines Ruderkokers und/oder eines Ruderschaftes aus einem
Faserverbundwerkstoff ist besonders vorteilhaft bei einem Ruder,
dessen Ruderkoker als Kragträger
mit einer mittigen Innenlängsbohrung
zur Aufnahme des Ruderschaftes für
das Ruderblatt versehen ist und bis in das mit dem Ruderschaftende
verbundene Ruderblatt hineinreichend ausgebildet ist, wobei zur
Lagerung des Ruderschaftes ein Lager in der Innenlängsbohrung
des Ruderkokers angeordnet ist, der mit seinem freien Ende in eine
Ausnehmung, Einziehung o. dgl. in das Ruderblatt hineinreicht, wobei
der Ruderschaft in seinem Endbereich mit einem Abschnitt aus dem
Ruderkoker herausgeführt
und mit dem Ende dieses Abschnittes mit dem Ruderblatt verbunden
ist, wobei die Verbindung des Ruderschaftes mit dem Ruderblatt oberhalb
der Propellerwellenmitte liegt und wobei das Innenlager für die Lagerung
des Ruderschaftes in dem Ruderkoker im Endbereich des Ruderkokers angeordnet
ist.
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Die
hohe Stabilität
und Biegefestigkeit des Ruderkokers aus einem Faserverbundwerkstoff
ermöglicht
das Lager für
den Ruderschaft im Endbereich des Ruderkokers anzuordnen, und zwar
auch dann, wenn der Ruderschaft größere Längen aufweisen sollte. Ausschließlich diese
Lageranordnung für den
Ruderschaft ermöglicht,
dass die auf das Ruderblatt des Ruders einwirkenden Druckkräfte aufgenommen
werden können.
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Des
Weiteren kann der Ruderschaft Endabschnitte aus einem metallischen
Material, insbesondere aus Schmiedeeisen, und einem mittleren, mit
den Endabschnitten verbundenen Abschnitt aus einem nichtmetallischen
Material aufweisen.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
besteht der mittlere, aus einem nichtmetallischen Material bestehende
Abschnitt des Ruderschaftes aus einem Kohlenstoff-Faserverbundstoff
oder aus Kohlenstoff-Fasern, bevorzugterweise aus Graphitfasern.
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Die
beiden aus Schmeideeisen bestehenden Endabschnitte des Ruderschaftes
weisen an ihren einander zugekehrten Stirnseiten halsartig eingezogene,
zapfenförmige
Abschnitte auf, deren umlaufende Oberflächen mit Strukturierungen als
Haftflächen für den mittleren,
aus Kohlenstoff-Fasern
gefertigten Abschnitt versehen sind, die in Form von Wicklungen die
zapfenförmigen
Abschnitte umgeben, wobei die Kohlenstoff-Fasern im gesamten sich über die
Länge des
mittleren Abschnittes erstreckenden Wicklungsbereich mit einem Gießharz ummantelt
und ausgegossen sind.
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Eine
derartige Ausgestaltung des Ruderschaftes erbringt den Vorteil,
dass Ruderschäfte
mit großen
Längen,
großem
Durchmesser und hohem Gewicht für
Ruder für
Wasserfahrzeuge hergestellt werden können, ohne dass es hierzu einer
Fertigung des gesamten Ruderschaftes aus Schmiedeeisen bedarf, denn
nur die Endabschnitte des Ruderschaftes sind aus Schmiedeeisen gefertigt,
während
der zwischen den Endabschnitten liegende mittlere Abschnitt des
Ruderschaftes aus einem nichtmetallischen Material besteht und zwar
insbesondere aus einem Kohlenstoff-Faserverbundstoff oder aus Kohlenstoff-Fasern,
bevorzugterweise aus Graphitfasern, die in Form von Wicklungen den
mittleren Schaftabschnitt des Ruderschaftes bilden, wobei die Wicklungen
des Kohlenstoff-Faserverbundstoffes bzw.
der Kohlenstoff-Fasern sich bis in die gegenüberliegenden Enden der Endabschnitte
des Ruderschaftes erstrecken und mit diesen fest verbunden sind.
Auf diese Weise wird ein Ruderschaft geschaffen, dessen Endabschnitte
aus Schmiedeeisen bestehen und somit den höchsten Belastungen ausgesetzt
werden können.
Außerdem
nehmen die aus Schmiedeeisen bestehenden Endabschnitte des Ruderschaftes
die Lager für
die Lagerung des Ruderschaftes in einem Ruderkokerlager auf.
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Endabschnitte
aus Schmiedeeisen können entfallen,
wenn der gesamte Ruderschaft beispielsweise aus einem Kohlenstoff-Faserverbundstoff
besteht und nach dem Faserwickelverfahren hergestellt wird. Bei
dieser Ausgestaltung wird weder die Biegesteifigkeit noch die Verdrehfestigkeit
beeinträchtigt.
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In
der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise dargestellt
und zwar zeigt:
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1 in
einer Seitenansicht eine im Hinterschiffsbereich vorgesehene Ruderanordnung
mit einem in einem Ruderkoker angeordneten Ruderschaft,
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2 teils
in Ansicht, teils in einem senkrechten Schnitt ein Rudersystem mit
dem Ruderkoker, dem Ruderschaft und dem Ruderblatt,
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3 einen
vergrößerten Ausschnitt
A gemäß 2 mit
dem bis zur Unterkante der Headbox reichenden und in ein äußeres Kokerrohr
eingesetzten sowie vergossenen oder verklebten Ruderkoker,
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4 teils
in Ansicht, teils in einem senkrechten Schnitt das Rudersystem mit
dem im Kokerrohr einendseitig gelagerten und am Ruderblatt befestigten
Ruderschaft,
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5 eine
Ansicht auf einen Ruderschaft mit endseitigen Abschnitten aus Schmiedeeisen
und mit einem mittleren Ruderschaftabschnitt aus einem nichtmetallischen
Material und
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6 eine
Ansicht auf einen Ruderschaft mit Endabschnitten aus Schmiedeeisen
und einem mit den Endabschnitten verbundenen mittleren Abschnitt aus
gewickelten Kohlenstoff-Fasern.
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Bei
der in 1 und 4 gezeigten Ausführungsform
eines Rudersystems für
Schiffe ist mit 10 ein Schiffskörper, mit 20 ein Ruderkoker
mit seinen beiden Enden 20a, 20b, mit 30 ein
Ruderblatt und mit 40 ein Ruderschaft bezeichnet.
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Der
als Kragträger
ausgebildete rohrartige Ruderkoker 20 ist mit seinem oberen
Ende 20a mit dem Schiffskörper 10 fest verbunden
und weist eine Innenbohrung 25 auf, die den Ruderschaft 40 aufnimmt.
Der Ruderkoker 20 ist in das Ruderblatt 30 hineingeführt, das
mit dem freien unteren Ende 20b des durch die Innenbohrung 25 des
Ruderkokerlagers 20 hindurchgeführten Ruderschaftes 40 fest verbunden
ist. Die in dem Ruderblatt 30 ausgebildete, vorzugsweise
zylindrische Einziehung 35 zur Aufnahme des freien Endes 20b des
Ruderkokers 20 ist durch eine seitliche Beplankung 36, 37 begrenzt (4).
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Der
Ruderkoker 20 ist mit einer mittigen Innenlängsbohrung 25 zur
Aufnahme des Ruderschaftes 40 für das Ruderblatt 30 versehen
und ist bis in das mit dem Ruderschaftende verbundene Ruderblatt 40 hineinreichend
ausgebildet, wobei zur Lagerung des Ruderschaftes mindestens ein
Lager 70 in der Innenlängsbohrung 25 des
Ruderkokers 20 angeordnet ist, der mit seinem freien Ende 40a in
eine Ausnehmung, Einziehung o. dgl. in das Ruderblatt 30 hineinreicht,
wobei der Ruderschaft 40 in seinem Endbereich 40a mit
einem Abschnitt 40b aus dem Ruderkoker 20 herausgeführt und
mit dem Ende dieses Abschnittes 40b mit dem Ruderblatt 30 verbunden
ist, wobei die Verbindung des Ruderschaftes 40 mit dem
Ruderblatt 30 bevorzugterweise oberhalb der Propellerwellenmitte
PM liegt. Das Innenlager 70 für die Lagerung des Ruderschaftes 40 ist
in dem Ruderkoker 20 im Endbereich des Ruderkokers 20 angeordnet
(4).
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Zur
Lagerung des Ruderschaftes 40 weist der Ruderkoker 20 mindestens
ein Lager auf. Bei dem in 4 gezeigten
Ausführungsbeispiel
sind zwei Lager 70, 71 vorgesehen, nämlich ein
Innenlager 70 und ein Außenlager 71, wobei
das Lager 70 an der Innenwandfläche des Ruderkokerlagers 20 und das
andere Lager 71 an der Außenwandfläche des Ruderkokers oder an
der Innenwandfläche
des an dem Ruderblatt 30 vorgesehenen Lagers ausgebildet ist.
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Der
in dem Ruderkoker 20 gelagerte Ruderschaft 40 besteht
aus Schmiedeeisen oder ist bevorzugterweise dergestalt ausgebildet,
dass seine beiden Endabschnitte 41, 42 aus Schmiedeeisen
bestehen, wobei der mittlere Schaftabschnitt 45 aus einem nichtmetallischen
Material besteht, insbesondere aus einem Kohlenstoff-Faserverbundstoff
oder aus Kohlenstoff-Fasern, bevorzugterweise aus Graphitfasern mit
oder ohne einer Epoxydharzmatrix (5). Unter Schmiedeeisen
wird ein Eisen mit einem unter 0,8 % liegendem Kohlenstoffgehalt
verstanden. Vorteilhafterweise ist der Ruderschaft 40 nach
dem bekannten Faserwickelverfahren (Filament Winding Systems) hergestellt.
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Für die Befestigung
des mittleren Schaftabschnittes 45 des Ruderschaftes 40 können verschiedene
konstruktive Ausgestaltungen vorgesehen sein. Wie die Ausführungsform
nach 5 zeigt, weisen die einander gegenüberliegenden
Stirnseiten der beiden Endabschnitte 41, 42 zapfenförmige Abschnitte 51, 52 auf,
die bevorzugterweise mit einer Außenwandstrukturierung 51a, 52a versehen
sind, um die Griffigkeit und den Halt des mittleren Schaftabschnittes 45 aus
Kohlenstoff-Fasern zu gewährleisten.
Bevorzugterweise werden die Kohlenstoff-Fasern bzw. der Kohlenstoff-Faserverbundstoff
durch Wicklungen 60 nach dem Faserwickelverfahren auf den
Zapfen 51, 52 der Endabschnitte 41, 42 befestigt,
wobei die Wicklungen sich über
den Umfang der beiden Zapfen 51, 52 und über die
gesamte Länge
des mittleren Schaftabschnittes 45 erstrecken. Zur Erhöhung der Festigkeit
sind die Kohlenstoff-Fasern mit einem Gießharz ummantelt bzw. ausgegossen.
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Besonders
vorteilhaft ist die Ausgestaltung des Ruderschaftes 20 insofern,
als sehr große
Längen
von Ruderschäften
bei niedrigstem Gewicht hergestellt werden können. Bei einem beispielsweise
10 m Länge
aufweisenden Ruderschaft wird das Gewicht um mehr als 50 % gegenüber einem
Ruderschaft, der vollständig
aus Schmiedeeisen gefertigt ist, verringert.
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Eine
weitere Ausführungsform
sieht vor, dass der in dem Ruderkoker 20 angeordnete Ruderschaft 40 im
Bereich der im Ruderkoker 20 angeordneten Lager 70, 71 Materialverstärkungen 80 aufweist,
wobei bevorzugterweise die Materialverstärkungen 80 im Bereich
des Ruderkokerendes 20b vorgesehen sind. Diese Materialverstärkungen 80 sind an
dem Ruderschaft 40 bevorzugterweise am Endabschnitt 42 des
Ruderschaftes 40 im Bereich des am Ruderkoker 20 vorgesehenen
Innenlagers 70 ausgebildet (4).
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Bei
der in 2 und 3 gezeigten Ausführungsform
besteht der Ruderkoker 20 aus einem Faserverbundstoff 100 und
ist in ein werftseitig vorbereitetes schiffbaulich äußeres, bis
zur Unterkante 11a der Headbox 11 reichendes und
in das Ruderblatt 30 eingesetztes schiffsbauliches Kokerrohr 90 aus
Stahl oder einem anderen geeigneten Werkstoff eingesetzt, wobei
nach Ausrichtung des Ruderkokers 20 in dem schiffbaulichen
Kokerrohr 90 der zwischen den beiden Bauteilen 20, 90 gebildete
Zwischenraum mit einem Gießharz 95 ausgegossen
oder beide Bauteile 20, 90 miteinander verklebt
sind.
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Dadurch,
dass der Ruderkoker 20 mit dem Kokerrohr 90 aufgrund
der Verklebung oder der Wendung von Gießharzen verbunden ist, wird
zwischen den beiden Bauteilen ein fester Verbund erhalten, so dass
dünnwandige
Materialien für
den rohrartigen Ruderkoker und das Kokerrohr eingesetzt werden können, was
darüber
hinaus auch zu einer Gewichtseinsparung führt, was insbesondere dann
von besonderer Bedeutung ist, wenn es sich um große Ruderanlagen
handelt.
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Die
Integration des Ruderkokers 20 in Faserverbundweise in
die schiffbauliche Stahlstruktur, d. h. in das Ruderblatt 30,
erfolgt ähnlich
wie bei dem Stevenrohr eines Schiffes. Der Ruderkoker 20 wird
in ein von der Werft vorbereitetes schiffbauliches äußeres Kokerrohr 90 aus
Stahl oder einem anderen geeigneten Werkstoff eingesetzt, das bis
zur Unterkante 11a der Headbox 11 reicht. Dieses
schiffbauliche Kokerrohr 90 wird in das Ruderblatt 30 eingesetzt
und befestigt. Daraufhin wird der Ruderkoker 20 aus dem Faserverbundstoff
in dem schiffbaulichen Kokerrohr 90 ausgerichtet. Der Zwischenraum
zwischen dem schiffbaulichen Kokerrohr 90 und dem Ruderkoker 20 wird
dann z. B. mit einem Gießharz 95 ausgegossen oder
beide Bauteile werden miteinander verklebt, so dass zwischen dem
schiffbaulichen Kokerrohr 90 und dem Ruderkoker 20 eine
feste Verbindung geschaffen wird (3). In das
so ausgebildete System wird dann der Ruderschaft 40 in
den Ruderkoker 20 eingesetzt und in dem Ruderblatt 30 gelagert
und endseitig mit diesem befestigt. Für die Unterkante des schiffbaulichen
Kokerrohrs 90 sind Detaillösungen, z. B. Einsetzen von
Keilringen aus weichen Werkstoffen möglich, um hier lokale Spannungskonzentrationen im
Ruderkoker 20 zu reduzieren.
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Der
für die
Herstellung des Ruderkokers 20 und/oder des Ruderschaftes 40 eingesetzte
Faserverbundstoff ist ein Kohlefaserverbundwerkstoff oder aus Kohlefasern
einer Epoxydharzmatrix oder ein Glasfaserverbundwerkstoff mit Polyesterharzmatrix.
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Sowohl
der Ruderschaft 40 als auch der Ruderkoker 20 sind
nach dem Faserwickelverfahren (Filament Winding System) hergestellt.
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Faserverbundwerkstoffe
haben gegenüber Schmiedestahl
wesentliche Vorteile, da die Kohlefaserwerkstoffe mit Epoxydharzmatrix
gegenüber Glasfaserwerkstoffen
mit Polyesterharzmatrix die besseren Werkstoffeigenschaften hinsichtlich
Steifigkeit, Beständigkeit
und Festigkeit aufweisen, jedoch auch höhere Materialkosten zur Folge
haben. Allerdings sollte die Werkstoffauswahl für den Ruderkoker nur in Verbindung
mit der Aus legung des Ruderschaftes erfolgen, um eine Abstimmung
von Struktursteifigkeit der beiden Bauteile Ruderkoker und Ruderschaft
zu erzielen.
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Hauptargument
für einen
Alternativwerkstoff, wie ein Faserverbundstoff, zu Schmiedestahl
sind die schwierige Beschaffungssituation und die hohen Kosten für große Schmiedeteile.
Der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen in Verbindung mit einem
effektiven Herstellungsverfahren erbringen Kostenvorteile.
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Mit
Faserverbundwerkstoffen sind deutliche Gewichtsvorteile gegenüber Schmiedestahlbauteilen zu
erzielen.
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Das
Einbringen des Ruderkokers 20 in die schiffbaulich vorbereitete
Schiffsstruktur mittels Klebeverfahren oder Gießverfahren erbringt technologische
Vorteile, wie bessere Ausrichtungsmöglichkeiten, Wegfall von Schweißungen und
Schweißverzug.
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Werden
für den
Ruderkoker 20 Faserverbundwerkstoffe mit den Eigenschaften
von Schmiedeeisen eingesetzt, dann kann ein derart ausgebildetes
Ruderkoker 20 auch ohne Zwischenschaltung eines Kokerrohres 90 aus
Stahl eingesetzt werden.
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Des
weiteren umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines
den Ruderschaft 40 aufnehmenden, in einem Ruderblatt 30 des
Ruders für Schiffe
angeordneten Ruderkokers 20, wobei in das Ruderblatt 30 ein
schiffbauliches äußeres Kokerrohr 90 aus
Stahl oder einem anderen geeigneten Werkstoff eingesetzt und befestigt
wird, hierauf in das schiffbauliche Kokerrohr 90 ein Ruderkoker 20 aus einem
Faserverbundwerkstoff 100 eingesetzt und in dem Kokerrohr 90 ausgerichtet
wird, woraufhin der Zwischenraum zwischen dem Ruderkoker 20 und dem
Kokerrohr 90 mit einem Gießharz 95 ausgefüllt wird
oder beide Bauteile 20, 90 miteinander verklebt werden.
Das schiffbauliche Kokerrohr 90 wird dabei bevorzugterweise
bis zur Unterkante 11a der Headbox 11 des Ruderblattes 30 reichend
eingesetzt.
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- 10
- Schiffskörper
- 11
- Headbox
- 11a
- Unterkante
- 20
- Ruderkoker
- 20a
- oberes
Ruderkokerlagerende
- 20b
- unteres
Ruderkokerlagerende
- 25
- Innenlängsbohrung
- 30
- Ruderblatt
- 31
- Einziehung
- 35
- zylindrische
Einziehung
- 36
- seitliche
Beplankung
- 37
- seitliche
Beplankung
- 40
- Ruderschaft
- 40a
- unteres
Ruderschaftende
- 40b
- Ende
- 41
- Endbereich
- 42
- Endabschnitt
- 45
- mittlerer
Schaftabschnitt
- 51
- Zapfen
- 51a
- Oberflächenstrukturierung
- 52
- Zapfen
- 52a
- Oberflächenstrukturierung
- 60
- Kohlenstoff-Faserwicklungen
- 70
- Innenlager
- 71
- Außenlager
- 80
- Materialverstärkung
- 90
- Kokerrohr
- 95
- Gießharz
- 100
- Faserverbundwerkstoff
- PM
- Propellerwellenmitte