DK176054B1 - Styremekanisme til et skib - Google Patents

Description

t DK 176054 B1

Opfindelsens område

Den foreliggende opfindelse angår en styremekanisme til et skib, hvor nævnte mekanisme indbefatter en drejelig aksel og 5 et drevet hjul, som er koaksialt fastgjort til den drejelige aksel, nævnte drevne hjul er et helt hjul eller et hjulsegment.

Baggrund for opfindelsen 10

Styrekræfterne i skibe kan være ret betydelige. Derfor er servostyresysterner blevet normen til skibe i en størrelse fra fisketrawlere til supertankere. Nuværende servostyresystemer til skibe er typisk baseret på hydrauliske cylindere.

15

Beskrivelse af kendt teknik DE 476125 omtaler en styremekanisme i form af et ror med hjælperor til skibe. Hovedroret bevæges via en drejelig aksel, 20 som er koaksialt fastgjort til en kvadrant af et tanddrev.

DE 101 15 110 Al giver et godt eksempel på et hydraulisk servostyresystem til et skib. Hydrauliske systemer såsom det i DE 101 15 110 Al beskrevne har et antal ulemper. Den første 25 ulempe er, at der kræves en hydraulisk energiforsyning for at tilvejebringe tryk og strømning til de hydrauliske cylindre. Eftersom hydrauliske energiforsyninger typisk ikke er standardudstyr på skibe, kræves der almindeligvis en formålsbundet hydraulisk energiforsyning. Dette øger 30 styresystemets omkostninger, kompleksitet og størrelse. En anden ulempe ved hydrauliske systemer er, at hydraulikolien skal holdes ren. Hvis olien bliver forurenet, kan systemet blive beskadiget. Yderligere ulemper ved hydrauliske systemer omfatter, at de typisk larmer og har tendens til at lække 35 olie.

2 DK 176054 B1

Udover de problemer, som skyldes de hydrauliske systemers natur, er anvendelse af lineære aktuatorer også et problem.

For at omdanne de hydrauliske cylindres lineære bevægelse til rotationsbevægelse af roret, er de lineære cylindre fastgjort 5 til rorstangen via en vippestang. På grund af denne geometri roterer vippestangen også, når roret roterer, og vinklen mellem vippestangen og den lineære cylinder reduceres derfor.

Idet vinklen reduceres, omdannes en mindre del af den af den hydrauliske cylinder udøvede kraft til drejningsmoment. Dette 10 betyder, at det drejningsmoment, som de hydrauliske cylindre påfører roret, reduceres, idet roret ledes væk fra dets neutralstilling. Uheldigvis øges den kraft, som vandet udøver på roret, idet roret drejes væk fra dets neutralstilling.

Dette betyder, at det tilgængelige styremoment reduceres, 15 samtidigt med at behovet for moment øges. Eftersom styresystemet er nødt til at være dimensioneret til det størst mulige belastningtilfælde, er styresystemet overdimensioneret, når roret er tæt ved dets neutralstilling. Eftersom roret det meste af tiden er nær dets neutralstilling, er systemet for 20 det meste overdimensioneret. Det at systemet er overdimensioneret, gør styresystemer, som er baseret på lineære aktuatorer, tungere og dyrere end nødvendigt.

Udover momentbegrænsningerne ved den nuværende geometri har de 25 nuværende systemers geometri også et begrænset rotations område. I et almindeligt system vil roret have et vinkelområde på ikke mere end ±90°. Ved nogle anvendelser, såsom et bovskruearrangement, er fri rotation uden nogen hindringer ønskeligt. Det kunne også være nyttigt at kunne rotere i en 30 retning i mere end én hel rotation. Systemer baseret på vippestangsprincippet vil ikke kunne anvendes i disse situationer.

På grund af fremkomsten af billigere, stærkere og mere 35 almindeligt tilgængelige elmotorer har der været en række 3 DK 176054 B1 anvendelser, hvor elmotorer har erstattet hydrauliske cylindre i styremekanismer til skibe.

Et godt eksempel er GB 2 012 387 A. Dette patent beskriver et 5 styresystem baseret på en elmotor, som er forbundet til en planetgearkasse. Idet motorakslen roterer, drejer gearkassen ved en hastighed, som bestemmes af planetgearkassens gearforhold. Gearkassen er fast forbundet til en rorpindsenhed, og drejer rorpinden, idet motoren roterer.

10 Rorpinden er forbundet til roret via en ledforbindelse. Roret drejer derfor også, når rorpinden drejer.

Dette system har et problem lig de hydrauliske systemer, idet det anvendte moment ændres, idet roret drejer. Som ved det 15 hydrauliske system, er styrekræfterne mindst, når behovet er størst. Dette betyder, at også dette system må overdimensioneres. Et andet problem med dette system er, at det er vanskeligt at tilføje reservestyring, hvis hovedmotoren skulle falde ud. Heller ikke med dette system er det muligt at 20 få fri rotation.

EP 1 209 074 Al er et andet godt eksempel på et styresystem, som er baseret på en elmotor. Dette system blev udformet til brug på skibe med et styresystem baseret på en 25 svingskruesamling. Princippet kan imidlertid også anvendes på et skib med rorbaseret styring. Et antal elmotorer er forbundet til hinanden via en gearkasse. Gearkasseeffekten anvendes på et lille gearhjul. Det lille gearhjul indgriber med et stort gearhjul, som er aksialt monteret på 30 skruesamlingens drejeaksel. Gearkassen er konstrueret således, at motoromdrejningstallene lægges til eller trækkes fra hinanden for at drive det lille gearhjul. Problemet med at anvende dette system til at styre skibe er, at gearkassen gør systemet komplekst og dyrt. Hvis der går noget galt i 35 gearkassen, ville båden miste styringen.

4 DK 176054 B1

Sammendrag af den foreliggende opfindelse

Et første aspekt ved den aktuelle opfindelse er at tilvejebringe en styremekanisme til et skib af den 5 indledningsvis nævnte art, der er mere sikkert end hidtil kendt.

Et andet aspekt ved den aktuelle opfindelse er at tilvejebringe en styr emekanisme til et skib af den 10 indledningsvis nævnte art, som er mere udvidelig og tilpasselig end hidtil kendt.

Et tredje aspekt ved den aktuelle opfindelse er at tilvejebringe en styremekanisme til et skib af den 15 indledningsvis nævnte art, som er mere energieffektiv end hidtil kendt.

Et fjerde aspekt ved den aktuelle opfindelse er at tilvejebringe en styremekanisme til et skib af den 20 indledningsvis nævnte art, som er billigere, enklere og mere robust end hidtil kendt.

Det nye og særegne hvorved ovennævnte aspekter opnås ifølge den foreliggende opfindelse består i at tilvejebringe en 25 styremekanisme til et skib ifølge indledningen, der endvidere indbefatter mindst to uafhængige momentoverførselsmekanismer, som kan indgribe med nævnte drevne hjul, og en aktuator til at drive hvert af nævnte momentoverførselsmekanismer. 1 35

Med denne indretning fremvises et styresystem, som giver en høj grad af sikkerhed. Fordi der er mindst to aktuatorer integreret i styresystemet, vil den anden aktuator kunne overtage styringen af skibet, hvis en af aktuatorerne skulle fejle.

5 DK 176054 B1

Den projekterede styremekanisme kan også udvides. Eftersom aktuatorerne påfører moment til et drevet hjul via momentoverførselsmekanismer, kan flere aktuatorer let tilføjes systemet ved at tilføje yderligere momentoverførsels-5 mekanismer, som anbringes omkring det drevne hjul.

Styremekanismen kan konstrueres med ekstra aktuatorer under opførelsen, eller ekstra aktuatorer kan tilføjes efter ibrugtagningen.

10 Fordi systemet kan udvides, kan systemet også skræddersys. En producent af styremekanismer kunne producere en basisenhed, indbefattende det drevne hjul, mindst to momentoverførselsmekanismer og de to aktuatorer, og tilføje systemet ekstra aktuatorer efter kundens anmodning.

15

Systemet har også potentiale til at være energieffektiv, eftersom antallet af mindre, knap så kraftige, parallelforbundne aktuatorer kan anvendes i stedet for én stor og kraftig aktuator. Når kraft- og hastighedsbehovet er lavt, 20 såsom under normal sejlads, kan der anvendes en enkelt mindre aktuator. Når kraft- og hastighedsbehovet øges, kunne de andre aktuatorer blive aktiveret en efter en.

I en foretrukken udførelsesform for styremekanismen kan det 25 drevne hjul være et drevet gearhjul og hver momentoverførsels-mekanisme kan være et drivgearhjul, som indgriber med det drevne gearhjul. Det drevne gearhjuls radius er fortrinsvis større end drivgearhjulets radius.

30 Med denne indretning bliver styremekanismen meget enkel. På grund af det simple arrangement af gearene og det lave antal bevægelige dele, er systemet også robust med lille risiko for svigt. På grund af det reducerede antal dele bliver mekanismen endvidere billigere, både fra et fabrikationsperspektiv og et 35 samlingsperspektiv.

, DK 176054 B1 o

Ved skibe med et enkelt ror kan den drejelige aksel være koaksialt fastgjort til skibets rorstang. Denne indretning vil give en kompakt, uafhængig styreenhed.

5 Ved skibe med mere end et ror eller skibe med pladsbegrænsning omkring rorstangen kan den drejelige aksel forbindes med skibets ene ror eller flere ror via et gear-, kabel-, remeller kædesystem.

10 I en foretrukken udførelsesform for styremekanismen kan mindst én aktuator indbefatte en elmotor, som styres af en elektronisk feedbackregulator af rorstillingen, hvor feedbacken kommer fra en eller flere rorbevægelsessensorer, og hvor rorbevægelsesreferencesignalet er et elektronisk signal, 15 som kommer fra en rorgænger via en mand-maskine-grænseflade eller en autopilot. At anvende en elmotor som aktuator tillader styresystemet at blive drevet af en elektrisk generator om bord. De fleste skibe har i dag allerede indbyggede generatorer, så systemomkostningerne holdes lave.

20 Elmotorer har også positivt moment- contra hastighedsforhold.

En elmotor har højt moment ved nulhastighed. Dette er gavnligt, eftersom motoren under normal drift stoppes og kun anvendes til at holde roret i stilling. Feedbackregulering med anvendelse af en sådan motor og et rorbevægelsessignal som 25 feedback giver en meget nøjagtig styring af rorets stilling.

Mindst én aktuator kan fortrinsvis være en reserveelmotor med en manuel styringsgrænseflade af rorstillingen. At anvende en reserveelmotor tillader nødbetjening af styremekanismen fra 30 skibets bro, i stedet for at tvinge manuel aktivering af styremekanismen. En manuelt betjent aktuator kan imidlertid også anvendes til at sikre mod en situation med strømtab.

I systemer med meget stærke styrekræfter kan elmotorerne drive 35 momentoverførselsmekanismerne via en transmission. Transmissionen kan øge det moment, som motorerne påfører det drevne 7 DK 176054 B1 hjul. Transmissionen kan også reducere momentoverførselsmekanismens hastighed, hvilket tillader anvendelse af motorer med højere hastighed.

5 I en yderligere udførelsesform for styremekanismen kan momentoverførselsmekanismerne omfatte en koblingsmekanisme, som kan afkoble den momentpåførende aktuator fra det drevne hjul. Koblingsmekanismen er anvendelig til at afkoble aktuatorerne, når de ikke er i brug. Dette øger systemets 10 energieffektivitet, eftersom de ikke anvendte aktuatorers inerti ikke påvirker systemet.

En bremse, som kan stoppe rorets bevægelse, kan også være inkorporeret i styremekanismen. En bremse er nyttig, når det 15 er ønskeligt at låse rorets stilling i en vis tidsperiode.

Kort beskrivelse af tegningen

Opfindelsen vil blive forklaret mere detaljeret nedenfor, hvor 20 der beskrives yderligere fordelagtige egenskaber og eksempelvise udførelsesformer under henvisning til tegningen, hvori

Fig. 1 skematisk viser styremekanismen ifølge opfindelsen, set 25 fra siden,

Fig. 2 skematisk viser en del af samme, set fra oven,

Fig. 3 skematisk viser en anden eksempelvis udførelsesform for 30 styremekanismen, set fra oven,

Fig. 4 skematisk viser en tredje eksempelvis udførelsesform for styremekanismen, set fra siden, 35 Fig. 5 skematisk viser en fjerde eksempelvis udførelsesform for styremekanismen, set fra oven, DK 176054 B1

Fig. 6 skematisk viser en femte eksempelvis udførelsesform for styremekanismen, set fra siden, og 5 Fig. 7 skematisk viser en sjette eksempelvis udførelsesform for styremekanismen, set fra siden.

Beskrivelse af en foretrukken udførelsesform for opfindelsen 10 Fig. 1 er en skematisk afbildning af en eksempelvis udførelsesform for skibstyremekanismen ifølge den foreliggende opfindelse anvendt på et skib med et drejeligt ror 1.

Styremekanismen drejer roret 1 via en rorstang 2. Et gearhjul 15 3 er koaksialt fastgjort til rorstangen 2. Gearhjulet 3, som fra nu af omtales som det drevne gearhjul 3, drives af to uafhængige drivgearhjul 4', 4''. Diameteren af drivgearhjulene 4', 4'' er mindre end den af det drevne gearhjul 3. På denne måde er der en hastighedsreduktion og en momentforøgelse fra 20 drivgearhjulene 4', 4'' til det drevne gearhjul 3.

I denne eksempelvise udførelsesform er drivgearhjulene 4', 4'' cylindriske gearhjul, men hvis der ønskes yderligere momentforøgelse eller hastighedsreduktion, kunne snekkegear 25 (ikke vist) anvendes i stedet for cylindriske gear. Udover at tilvejebringe øget moment, er snekkegear også selvlåsende, hvilket kan være ønskeligt i nogle tilfælde. Et godt eksempel ville være på skibe, hvor roret holdes i samme stilling i længere perioder. Når der anvendes et snekkegear, låser roret 30 selv, så snart aktuatoren frigiver momentet. Hvis der i stedet anvendes cylindrisk gear, ville aktuatoren konstant skulle påføre moment for at holde roret i stilling.

Snekkegearløsningen ville derfor være mere energieffektiv.

35 I denne eksempelvise udførelsesform drives hvert drivgearhjul 4', 4'' af en elmotor 5', 5 ' ' .

9 DK 176054 B1

Ved typisk brug anvendes den første motor 5' ikke og bruger derfor ingen strøm. I tilfælde af at den anden motor 5'' fejler, kan den første motor 5' styres ved at påføre den 5 første motors 5' udtag 6' spænding via en manuel omkoblingsenhed 7, som er forbundet til et batteri 8. I en anden udførelsesform (ikke vist) kunne den første motor erstattes af en manuelt betjent armmekanisme, som drejer drivgearhjulet 4' med anvendelse af menneskekraft. Dette ville 10 være nyttigt i det tilfælde, hvor skibet mister strømmen.

Den anden motor 5'' styres via en automatisk regulator 9. Et elektronisk rorvinkelreferencesignal 10 indlæses, enten i digital eller analog form, via en joystick 11. I dette 15 eksempel betjenes joysticket 11 af en rorgænger. Det elektroniske rorvinkelreferencesignal 10 kunne imidlertid også komme fra et autopilotsystem (ikke vist). Den automatiske regulator 9 modtager et rorvinkelsignal 12 fra en rorvinkelsensor 13. Den automatiske regulator 9 forsøger at 20 tvinge forskellen mellem rorvinkelsignalet 12 og rorvinkelreferencesignalet 10 til nul. Dette kan opnås med en af mange forskellige kontrolalgoritmer, hvor et populært eksempel er en PID regulator. Regulatoren kan være digital eller analog. For at forbedre regulatoren 9's ydelse, kunne 25 sensoren 13 også tilbageføre yderligere parametre, såsom hastighed, acceleration eller styrke til regulatoren 9.

Regulatoren 9's outputsignal 14 er input til en motordrivenhed 15. Motordrivenheden 15 er fastgjort på skibets strømforsyning 30 (ikke vist) via kabler 16. Motordrivenheden 15 påfører kraft til den anden motor 5'' ifølge regulatoren 9's outputsignal 14. Motordrivenheden 15 afhænger af hvilken type motor, den anden motor 5'' er. I en foretrukken udførelsesform er den anden motor 5'' en asynkron motor, og motordrivenheden 15 er 35 en frekvensomformer.

10 DK 176054 B1

Fig. 2 viser skematisk en del af den samme styremekanisme, som er vist i fig. 1, når den ses fra oven. Roret 1 er koaksialt fastgjort til det drevne gearhjul 3 via rorstangen 2. Det drevne gearhjul 3 drives af drivgearhjulene 4', 4''.

5 Den i fig. 1 og 2 viste eksempelvise udførelsesform viser anvendelsen af cylindriske gear til at overføre moment fra drivhjulene 4', 4'' til det drevne hjul 3. Det ville imidlertid også være muligt at overføre moment via et rem-, kæde- eller kabelsystem {ikke vist) . Et rem-, kæde- eller 10 kabelsystem har den fordel, at motorerne kan være anbragt længere væk fra det drevne hjul 3. Dette er nyttigt i de tilfælde, hvor der er pladsmangel omkring det drevne hjul 3.

Fig. 3 viser en anden udførelsesform for styresystemet, når 15 det ses fra oven. I denne udførelsesform er det drevne gearhjul 17 et hjulsegment. Det drevne gearhjul 17 er koaksialt fastgjort på roret 1 via rorstangen 2.

Drivgearhjulene 4', 4'' driver det drevne gearhjul 17. Denne udførelsesform anvendes i tilfælde, hvor roret 2's 20 vinkelbevægelse er begrænset.

Fig. 4 viser en tredje udførelsesform for styresystemet, når det ses fra siden. I dette tilfælde er motorerne 5', 5'' fastgjort på drivgearhjulene 4', 4'' via tandhjulsudvekslinger 25 18', 18''. Tandhjulsudvekslingerne 18', 18'' reducerer omdrejningstallet af drivgearhjulene 4', 4'' yderligere i forhold til omdrejningstallet af motorerne 5', 5''. På grund af reduktionen i omdrejningstal øges momentet derfor. Mindre og hurtigere motorer kan derfor anvendes til at påføre samme 30 moment.

Fig. 5 viser en fjerde udførelsesform for styremekanismen, set fra oven. Denne udførelsesform anvendes på et skib, som har en dobbeltror- (21', 21'') samling. Som i de foregående eksempler 35 driver drivgearhjulene 4', 4'' et drevet gearhjul 3. Det drevne gearhjul 3 er fastgjort til et kædehjul 18 via en n DK 176054 B1 drejelig aksel 19. De to ror 21', 21'' er hver koaksialt forbundet til et kædehjul 22', 22'' via en rorstang 23', 23''.

De tre kædehjul 19, 22', 22'' er forbundet med hinanden via en kæde 24. Når drivhjulene 4', 4'' drejer det drevne hjul 3, 5 drejer de to ror 21', 21'' på denne måde synkront. Kæden 24 kunne erstattes af en anden type drivenhed, såsom et gearsystem, remsystem eller kabelsystem uden at ændre opfindelsens omfang.

10 Fig. 6 viser en femte udførelsesform for styremekanismen, når den ses fra siden. I denne udførelsesform er en bremsemekanisme 25 fastgjort til det drevne gearhjul 3. I denne eksempelvise udførelsesform består bremsen af en skive 26, som er koaksialt fastgjort til det drevne gearhjul 3. Et 15 bremseåg 27 presser på skiven 26, når det drevne gearhjul 3's rotation ønskes stoppet.

Fig. 7 viser en sjette udførelsesform for styremekanismen, når den ses fra siden. I denne udførelsesform forbinder 20 koblingsmekanismer 28', 28'' motorerne 5', 5'' med drivgearhjulene 4', 4''. Når koblingsmekanismerne 28', 28'' ikke er i indgreb, afkobles motorerne 5', 5'' fra drivhjulene 4', 4'', og har derfor ingen indflydelse på systemet. Dette er særlig nyttigt, når en motor 5' ' arbejder, og den anden motor 25 5' holdes i reserve. Hvis reservemotoren 5' kobles direkte til systemet, skal den motor 5'', som er i drift, rotere inertien af reservemotoren 5' og spilder derved energi. Ved via en koblingsmekanisme 28' at afkoble reservemotoren 5', når den ikke er i brug, reduceres belastningen på den arbejdende motor 30 5 " .

Hvis man ønsker at spare på driftsomkostningerne, kunne styresystemet omfatte flere drivenheder, som arbejder parallelt for at drive roret (ikke vist). Eftersom roret under 35 typisk drift er tæt på at være centreret, er styrekræfterne ret svage. Det meste af tiden kræves der derfor kun svage DK 176054 B1 styrekræfter. Når der kun kræves svage styrekræfter, kunne en enkelt motor drive styremekanismen. De ekstra motorer kunne følgelig afkobles systemet med anvendelse af en koblingsmekanisme 28', 28'' lig den vist i fig. 7. Idet 5 behovet for styrekræfter øges, kunne ekstra motorer kobles til systemet en efter en. Dette betyder, at der kun anvendes en enkelt lille motor under normal drift. Dette vil reducere strømforbruget og følgelig driftsomkostningerne.

10 Selvom elmotorer har et antal positive features sammenlignet med hydrauliske systemer, er hydrauliske energiforsyningssystemer i nogle tilfælde allerede monteret i skibet. I disse tilfælde kunne det være fordelagtigt at drive styremekanismen med hydraulikmotorer i stedet for elmotorer. Hydraulikmotorer 15 har et meget stort kraft/størrelsesforhold, hvilket gør dem meget fordelagtige i trænge omgivelser.

Claims (9)

13 DK 176054 B1

1. Styremekanisme til et skib indbefattende en drejelig aksel (2), og 5. et drevet hjul (3), som er koaksialt fastgjort til den drejelige aksel (2), nævnte drevne hjul (3) er • et helt hjul eller et hjulsegment, kendetegnet ved, at nævnte mekanisme endvidere indbefatter: 10. mindst to momentoverførselsmekanismer (4',4''), som kan indgribe med nævnte drevne hjul (3), og en aktuator (5', 5'') til at drive hver af nævnte momentoverførselsmekanismer (4',4'').

2. Styremekanisme ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det drevne hjul (3) er et drevent gearhjul (3), og hver momentoverførselsmekanisme (4',4'') er et drivgearhjul (4', 4''), som indgriber med det drevne gearhjul (3).

3. Styremekanisme ifølge krav 2, kendetegnet ved, at det drevne gearhjuls (3) radius er større end drivgearhjulenes {4', 4'') radius.

4. Styremekanisme ifølge krav 1, 2 eller 3, kendetegnet ved, 25 at den drejelige aksel (2) er koaksialt fastgjort til skibets rorstang (2).

5. Styremekanisme ifølge krav 1, 2 eller 3, kendetegnet ved, at den drejelige aksel (2) er forbundet til skibets ror 30 (1) eller ror (21', 21'') via et gear-, kabel-, rem eller kædesystem. 1 2 3 4 Styremekanisme ifølge ethvert af de foregående krav, 2 kendetegnet ved, at mindst én aktuator (5'') indbefatter 3 35 en elmotor (5''), som styres af en elektronisk 4 feedbackregulator af rorstillingen (9), hvor feedbacken DK 176054 B1 kommer fra en eller flere rorbevægelsessensorer (13) , og hvor rorbevægelsesreferencesignalet (10) er et elektronisk signal, som kommer fra en rorgænger via en mand-maskine-grænseflade (11) eller fra en autopilot. 5

7. Styremekanisme ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at mindst én aktuator (5') er en reservemotor (5') med en manuel styringsgrænseflade af rorstillingen (7) . 10

8. Styremekanisme ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at nævnte aktuatorer (5', 5'') driver momentoverførselsmekanismer (4', 4'') via en transmission (18', 18 ' ') . 15

9. Styremekanisme ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at hver momentoverførselsmekanisme (4', 4'') omfatter en koblingsmekanisme (28', 28''), som kan afkoble den momentpåførende aktuator (5', 5'') fra det 20 drevne hjul (3). 1 Styremekanisme ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at en bremse (25) er inkorporeret i systemet, nævnte bremse (25) kan standse rorets (1) 25 bevægelse.