EP2414221B1 - Verfahren zum überprüfen eines spurwinkels bei den rudern eines schiffes - Google Patents

Verfahren zum überprüfen eines spurwinkels bei den rudern eines schiffes Download PDF

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EP2414221B1
EP2414221B1 EP10713881.0A EP10713881A EP2414221B1 EP 2414221 B1 EP2414221 B1 EP 2414221B1 EP 10713881 A EP10713881 A EP 10713881A EP 2414221 B1 EP2414221 B1 EP 2414221B1
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toe angle
angle
ship
toe
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ZF Friedrichshafen AG
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    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B63H25/06—Steering by rudders
    • B63H25/08—Steering gear
    • B63H25/14—Steering gear power assisted; power driven, i.e. using steering engine
    • B63H25/26—Steering engines
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    • B63H25/00—Steering; Slowing-down otherwise than by use of propulsive elements; Dynamic anchoring, i.e. positioning vessels by means of main or auxiliary propulsive elements
    • B63H25/06—Steering by rudders
    • B63H25/36—Rudder-position indicators

Definitions

  • the present invention relates to a method for verifying a toe angle in the oars of a ship according to the closer defined in the preamble of claim 1.
  • inboard and outboard propulsion systems are known for ships.
  • An inboard propulsion system consists of a motor located in the hull.
  • a drive shaft is connected via a reduction gear to the engine, wherein the drive shaft is guided through the hull and at the end has a drivable propeller for driving the ship.
  • the propeller flows into a rudder.
  • the rudder is controlled via a control arrangement for carrying out desired maneuvers, usually involving a plurality of rudders, e.g. relative to the longitudinal axis of the ship, a starboard-side arranged rudder and a port-side arranged rudder are provided.
  • an electronic control arrangement for the rudder of a ship as a so-called steer-by-wire system.
  • the mechanical or hydraulic connection between the steering wheel and the rudders is replaced by an electronic control device and by a corresponding network for transmitting the corresponding signals.
  • the electronic controller receives signals from a sensor which detects the position of the steering wheel and converts it into corresponding output signals to drive the electric actuator of each rudder coupled to the rudder to set a corresponding control angle.
  • two inboard propulsion systems associated with a starboard-side and a port-side rudder of the vessel may be used.
  • EP 1 394 037 A1 is a double rudder system known for large ships.
  • the known Doppelrudersystem includes a starboard side Rudder and a port-side rudder, which are each controlled via a drive means of a drive circuit, wherein the control movements of the respective rudder are each detectable via a position controller.
  • the drive circuit is connected to an autopilot, so that an automatic control of the rudder is possible.
  • the object of the present invention is to propose a method for checking a toe angle in the oars of a ship, with which a continuous and automated checking of the toe angle can be realized in order to minimize the flow resistance.
  • a method for checking a toe angle in at least one starboard-side rudder and at least one port-side rudder of a ship wherein the rudders are electronically adjusted via a control device.
  • various toe angles are set stepwise, with an optimum toe angle being determined in real time for each rudder from these stepwise determined toe angles.
  • the rudder in opposite directions at Straight ahead of the ship for example, be gradually adjusted, wherein for each set toe angle of the required energy consumption of an associated electric actuator for maintaining the adjusted positions of each rudder is determined so that the toe angle, which is assigned the lowest power consumption, as the optimum toe angle for the associated rudder is stored.
  • a toe or toe can be set at the rudders of the ship.
  • the applied current intensity needed to determine the required power consumption of the actuators is then measured which is necessary to maintain the rudder counter to a flow moment applied to the rudder due to the hydrodynamic forces in the predetermined control position.
  • the set current at the motors is thus a measure of the forces occurring or for the flow resistance. In this way, the optimum toe angle can be determined at which the flow resistance reaches its minimum.
  • the setting angle in the context of the checking method at each rudder can preferably be set to an angle range of +/- 3 °. But there are also other angle ranges possible.
  • the control of the rudder can be done via the central control device via a vehicle network, eg. B. the CAN bus, is coupled to the respective rudder control.
  • the data and signals determined during the checking according to the invention can be transmitted via the vehicle network to the control device for evaluation
  • the verification process can be started automatically when the ship z. B. executes a constant speed when driving straight ahead. This ensures that a constant flow torque is applied to the rudders due to the hydrodynamic forces.
  • Another embodiment of the present invention may provide that the proposed method is started either manually by the driver or automatically during the initialization phase. Preferably should a speed of 10 knots during the verification process will not be exceeded. Otherwise, the procedure can be interrupted automatically.
  • FIG. 1 is a starboard-side arranged rudder 1 and a port arranged on the rudder 2 shown, which are controlled by an electronic control device, which is symbolically indicated only by an arrow.
  • Each rudder 1, 2 has in each case an electric actuator 3, 4 and an associated motor drive 5, 6 for rudder control in order to set the predetermined control angle or toe angle.
  • the two motor drives 5, 6 are coupled to each other and to the control device via a bus system 7 for signal or data transmission.
  • a bus system 7 for signal or data transmission.
  • ⁇ the possible setting angle ⁇ , which is traversed stepwise in the execution of the method according to the invention, occurring at each set toe angle hydrodynamic To determine forces and make an assessment of the selected toe angle in the respective driving condition of the ship.
  • Exemplary is in FIG. 2 the setting angle ⁇ is divided into five setting steps A, B, C, ... in each direction from the control angle 0 °.
  • the required energy consumption of the associated electric actuator of the rudder during a predetermined time z. B. 30 seconds, so as to obtain a measure of the hydrodynamic forces occurring in each case in the different control angles or toe angles.
  • the controller data and signals After passing through the Einstellwinkel Anlagens transmitted via the vehicle network 7 to the controller data and signals can be evaluated to determine the setting angle with the lowest energy consumption. Thereafter, the optimum toe angle can be stored accordingly. The optimal toe angle can also be displayed on a display for the driver.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfën 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.
  • Aus der Druckschrift EP 1 394 037 A1 ist ein Doppelrudersystem für große Schiffe bekannt. Das bekannte Doppelrudersystem umfasst ein steuerbordseitiges Ruder und ein backbordseitiges Ruder, die jeweils über eine Ansteuereinrichtung eines Ansteuerschaltkreises ansteuerbar sind, wobei die Steuerbewegungen der jeweiligen Ruder jeweils über einen Lageregler erfassbar sind. Der Ansteuerschaltkreis ist mit einem Autopilot verbunden, so dass eine automatische Ansteuerung der Ruder möglich ist.
  • 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 Rudern 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 Parametern 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:
    • Fig. 1
    eine schematische Teilansicht eines elektronischen Steuersystems zum Steuern eines Schiffes;
    Fig. 2
    eine Detailansicht eines Ruders mit einem angedeuteten Einstellwinkelbereich zum schrittweisen Einstellen der Ruder im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überprüfen eines Spurwinkels.
  • In Figur 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 Figur 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 Figur 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.
    • Bezugszeichen
    • 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 (7)

  1. 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 einer schrittweisen Einstellung verschiedener Spurwinkel bei den Rudern (1, 2) jeweils ein erforderlicher Energieverbrauch eines zugeordneten elektrischen Aktuators jedes Ruders (1, 2) während einer vorbestimmten Zeit ermittelt wird, um somit ein Maß für die jeweils in den verschiedenen Spurwinkeln auftretenden hydrodynamischen Kräfte zu erhalten, sodass der Spurwinkel mit dem geringsten Verbrauch für jedes Ruder (1, 2) als optimaler Spurwinkel in Echtzeit ermittelt wird.
  2. 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.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optimale Spurwinkel ausgegeben und in einem Display angezeigt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Ruder (1, 2) als Einstellwinkel (β) ein Winkelbereich von +/-3° verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einer Drehung des Steuerrades von mehr als +/- 1° deaktiviert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einer Geschwindigkeit des Schiffes von mehr als 10 Knoten deaktiviert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es manuell oder automatisch aktiviert oder deaktiviert wird.
EP10713881.0A 2009-04-01 2010-03-30 Verfahren zum überprüfen eines spurwinkels bei den rudern eines schiffes Active EP2414221B1 (de)

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