Entwickelt für Hochseesegeln bei schwerem Wetter: Konstruktion, Materialien und Management extremer Belastungen bei den Windsteueranlagen von South Atlantic

1. Das Fehlen eines herkömmlichen Sicherheitsrohrs

Das Fehlen eines herkömmlichen externen Sicherheitsrohrs oder einer Scherstift-Sicherung bei den Windsteueranlagen von South Atlantic beruht auf einem grundlegenden Unterschied in der mechanischen Konstruktion und in der Art und Weise, wie das System dynamische Belastungen aufnimmt und verarbeitet.

Anstatt sich auf ein speziell dafür vorgesehenes, als Sollbruchstelle ausgelegtes Bauteil zu verlassen, verwendet South Atlantic eine andere mechanische Anordnung, die eine direkte Kraftübertragung, die Geometrie der Bauteile, die Materialauswahl und die Bewegungsfreiheit miteinander kombiniert, um die beim Hochseesegeln auftretenden Belastungen zu bewältigen.

2. Warum verwendet Monitor ein Sicherheitsrohr?

Monitor verwendet einen geschlossenen Kegelradgetriebemechanismus mit festem Winkel und einem Übersetzungsverhältnis von 2:1. Die mechanische Konstruktion begrenzt zudem den Bewegungsbereich des Pendels und verhindert, dass es sich ebenso frei bewegen kann wie bei modernen Servo-Pendelsystemen, die über einen größeren, ungehinderten Bewegungsbogen verfügen.

Wenn das Pendel die Grenzen seines Bewegungsbereichs erreicht, kann es mit der umgebenden Struktur in Kontakt kommen. Bei schwerem Wetter können heftige Bewegungen des Hecks und plötzliche Änderungen der auf das Pendel wirkenden Kräfte erhebliche Stoßbelastungen erzeugen. Diese Kräfte werden durch den Mechanismus übertragen und können beträchtliche Spannungen auf die Getriebekomponenten, einschließlich der Kegelräder, ausüben.

Um den Mechanismus vor solchen Überlastungen zu schützen, verfügt Monitor über eine externe mechanische Sicherung, die üblicherweise als Sicherheitsrohr oder Scherstift bezeichnet wird. Dieses Bauteil ist ausdrücklich als Sollbruchstelle ausgelegt und bricht bei übermäßiger Belastung, bevor diese schwerwiegendere Schäden am Getriebesystem verursachen kann.

Das Sicherheitsrohr ist somit nicht lediglich ein zusätzliches Sicherheitselement, sondern ein integraler Bestandteil des Überlastschutzkonzepts, das sich aus der mechanischen Konstruktion des Systems ergibt. Monitor liefert eine Ersatzsicherung mit der Windsteueranlage, da davon ausgegangen wird, dass sie im Laufe der Lebensdauer des Systems bei Bedarf ausgetauscht werden muss.

Erfahrungsberichte von Anwendern der Monitor-Anlagen sowie anderer Windsteueranlagen mit austauschbaren Sollbruchstellen, wie beispielsweise Aries und Hydrovane, bringen solche Brüche häufig mit hohen mechanischen Belastungen in Verbindung, die überwiegend bei schwerem Wetter und anspruchsvollen Seegangsbedingungen auftreten.

Obwohl das Sicherheitsrohr somit eine wichtige Schutzfunktion erfüllt, kann sein Auslösen unter extremen Belastungsbedingungen auch zum vorübergehenden Verlust der Steuerfähigkeit der Windsteueranlage führen, bis das Bauteil ersetzt wird.

3. South Atlantic bewältigt Überlastungen auf andere Weise

Die Windsteueranlagen von South Atlantic verwenden eine andere mechanische Konstruktion und sind nicht auf ein separates, als Sollbruchstelle ausgelegtes Sicherheitsrohr angewiesen.

Dieser Ansatz zeichnet sich durch mehrere konstruktive Merkmale aus:

• Direkte Kraftübertragung über ein Kreuzgelenk anstelle von Kegelrädern: South Atlantic verwendet eine mechanische Kraftübertragung auf Grundlage eines Kreuzgelenks und eines Schubstangensystems anstelle eines geschlossenen Kegelradgetriebes. Diese einfachere Konstruktion vermeidet die spezifischen Fehlerursachen, die mit den Zahnflanken von Kegelrädern verbunden sind. Das Risiko eines Kegelradversagens ist bei South Atlantic gleich null, schlicht deshalb, weil South Atlantic keine Kegelräder verwendet. Das gesamte Übertragungssystem ist darauf ausgelegt, Bewegungen direkt weiterzuleiten, ohne ein in die Kraftübertragung integriertes Sicherheitsrohr, das gezielt brechen soll.
• Das Servopendelblatt als flexibles Element: Das Servopendelblatt arbeitet im Wasser und ist ein integraler Bestandteil des Steuermechanismus. Das in den Servopendelblättern von South Atlantic verwendete hochfeste Polyethylen verfügt über eine gewisse Flexibilität und ermöglicht es dem Blatt, sich unter hydrodynamischer Belastung zu verformen. Diese Flexibilität bildet zusammen mit der Geometrie und der Befestigung des Blattes einen Teil der Reaktion des Systems auf dynamische Kräfte.
• Kontrollierte Reibung und Relativbewegung: Die Anordnung der Steuerleinen und der Übertragungselemente ermöglicht einen gewissen Grad an Relativbewegung innerhalb des Mechanismus. Abhängig von Art und Richtung der Belastung kann diese Bewegung beeinflussen, wie Kräfte durch das System übertragen werden, und dazu beitragen, eine unnötig abrupte Belastung einzelner Bauteile zu vermeiden.
• Großer Bewegungsbogen: Der große Bewegungsbereich bestimmter Komponenten trägt dazu bei, die Wahrscheinlichkeit eines abrupten Kontakts mit mechanischen Anschlägen bei extremen Bewegungen zu verringern. Dies ist besonders wichtig, wenn das Heck durch Wellen, Stampfen oder Rollen plötzlichen Bewegungen ausgesetzt ist.

4. Ist eine Windsteueranlage aus Edelstahl stabiler als eine aus Aluminium?

Nicht unbedingt. Aus werkstofftechnischer Sicht wäre es falsch zu behaupten, dass Aluminium grundsätzlich stabiler ist als Edelstahl. Bestimmte Edelstahlsorten, wie beispielsweise Werkstoff 1.4401 (AISI 316), weisen eine deutlich höhere Zugfestigkeit auf als viele der im Marinebereich üblichen Aluminiumlegierungen.

Beim Vergleich von Windsteueranlagen, die am Heck eines Segelbootes installiert werden, bestimmt jedoch die Festigkeit des Rohmaterials allein weder die Festigkeit noch die Leistungsfähigkeit der fertigen Konstruktion.

Ein aussagekräftiger Vergleich muss mehrere Faktoren berücksichtigen:

• Werkstofffestigkeit
• Strukturelle Steifigkeit
• Gewicht
• Geometrie und Querschnittsabmessungen
• Wandstärke
• Gestaltung der Verbindungen
• Widerstandsfähigkeit gegenüber Ermüdung und Stoßbelastungen
• Art und Weise, wie die Kräfte innerhalb der gesamten Konstruktion verteilt werden

Die Leistungsfähigkeit einer Konstruktion hängt davon ab, wie der Werkstoff eingesetzt wird, und nicht allein von seiner nominellen Festigkeit.

5. Die Festigkeit von Edelstahl erzählt nicht die ganze Geschichte

Edelstahl, beispielsweise der Werkstoff 1.4401 (AISI 316), vereint gute mechanische Eigenschaften mit einer ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit für zahlreiche Anwendungen im Marinebereich. Seine Dichte ist jedoch ungefähr dreimal so hoch wie die von Aluminium.

Um das Gewicht einer am Heck eines Segelbootes installierten Edelstahlkonstruktion zu begrenzen, kann es erforderlich sein, Rohre und Bauteile mit relativ dünnen Wandstärken zu verwenden.

Solche Konstruktionen können unter den vorgesehenen Betriebsbedingungen eine ausgezeichnete Festigkeit aufweisen. Bei wiederholter Beanspruchung durch dynamische Belastungen, Biegung und wellenbedingte Vibrationen werden jedoch die Geometrie, die Wandstärke und die Anordnung der Abstützungen ebenso wichtig wie die Festigkeit des Werkstoffs selbst.

Eine sehr steife Konstruktion kann Stoßbelastungen zudem besonders direkt auf die angeschlossenen Bauteile übertragen. Abhängig von der Konstruktion können deshalb zusätzliche Maßnahmen erforderlich sein, um bestimmte mechanische Komponenten vor Überlastung zu schützen.

Das Sicherheitsrohr von Monitor ist ein Beispiel für eine technische Lösung, bei der ein gezielt als Sollbruchstelle ausgelegtes Bauteil verwendet wird, um andere Teile des Mechanismus unter bestimmten Überlastbedingungen zu schützen.

6. Die Vorteile von Aluminium

Die hochwertigen, für den Marinebereich geeigneten Aluminiumlegierungen, die in den Windsteueranlagen von South Atlantic verwendet werden, ermöglichen die Konstruktion relativ großer, dickwandiger und robuster Strukturquerschnitte, ohne das Heck des Bootes übermäßig zu belasten.

• Masse und Geometrie: Bei gleichem Konstruktionsgewicht ermöglicht Aluminium die Verwendung größerer Querschnitte und massiverer Profile, die mit Edelstahl in der Regel nur schwer praktikabel wären. Richtig dimensionierte größere Querschnitte können einen ausgezeichneten Widerstand gegen Biege- und Torsionsbelastungen bieten.
• Strukturelle Steifigkeit: Aluminium besitzt einen niedrigeren Elastizitätsmodul als Edelstahl. Das bedeutet, dass es sich bei gleicher Spannung und identischer Geometrie stärker verformt. Durch eine Vergrößerung der Abmessungen und der Wandstärke kann eine fachgerecht konstruierte Aluminiumstruktur jedoch die für ihren vorgesehenen Einsatz erforderliche Steifigkeit erreichen. Daher muss zwischen der Steifigkeit des fertigen Bauteils und der intrinsischen Steifigkeit des Werkstoffs unterschieden werden.
• Elastische Verformung: Der niedrigere Elastizitätsmodul von Aluminium ermöglicht bei gleicher Spannung und vergleichbarer Geometrie eine größere elastische Verformung. Bei entsprechender Konstruktion kann diese Eigenschaft zum strukturellen Verhalten unter dynamischen Belastungen beitragen. Das tatsächliche Verhalten bei Stoßbelastungen hängt jedoch auch von der Festigkeit, der Duktilität, der Geometrie, den Verbindungen und den jeweiligen Belastungsbedingungen ab.
• Geringes Gewicht: Die Reduzierung des Gewichts einer am Heck installierten Konstruktion ist nicht nur eine Frage des Komforts. Sie verringert auch die Trägheitskräfte, die durch die Bewegung des Bootes entstehen, und begrenzt das zusätzliche Gewicht, das an einem Ende des Schiffes konzentriert ist. Dies ist besonders bei der Hochseenavigation relevant, wo Stampfbewegungen und plötzliche Heckbewegungen erhebliche dynamische Belastungen erzeugen können.
• Lager und kompatible Werkstoffe: Die Kombination von Aluminium mit POM (Polyoxymethylen) und anderen für den Marinebereich geeigneten Werkstoffen ermöglicht den Bau von Lager- und Gelenksystemen mit geringer Reibung. Diese Materialkombinationen vermeiden bei bestimmten Bauteilen außerdem den direkten Gleitkontakt zwischen Edelstahloberflächen.

Das Ziel besteht nicht einfach darin, einen leichten Werkstoff auszuwählen, sondern seine mechanischen Eigenschaften so zu nutzen, dass eine Konstruktion entsteht, die für die vorgesehenen Belastungen und Einsatzbedingungen angemessen dimensioniert ist.

7. Schlussfolgerungen