Konstruert for havseilas i hardt vær: Arkitektur, materialer og håndtering av ekstreme belastninger i South Atlantic-vindror

1. Fraværet av et tradisjonelt sikkerhetsrør

Fraværet av et tradisjonelt utvendig sikkerhetsrør eller en skjærbolt i South Atlantics vindror gjenspeiler en grunnleggende forskjell i den mekaniske konstruksjonen og i måten systemet er utviklet for å håndtere dynamiske belastninger på.

I stedet for å være avhengig av en egen offerkomponent benytter South Atlantic en annen mekanisk løsning, der direkte kraftoverføring, komponentgeometri, materialvalg og bevegelsesfrihet kombineres for å håndtere belastningene som oppstår under havseilas.

2. Hvorfor bruker Monitor et sikkerhetsrør?

Monitor benytter en lukket mekanisme med koniske tannhjul, en fast vinkelkonfigurasjon og et utvekslingsforhold på 2:1. Den mekaniske konstruksjonen begrenser også pendelens bevegelsesområde, slik at den ikke kan bevege seg like fritt som i servo-pendelsystemer som er konstruert med en større og uhindret bevegelsesbue.

Når pendelen når yttergrensene for bevegelsen, kan den komme i kontakt med den omkringliggende konstruksjonen. Under harde værforhold kan kraftige bevegelser i akterenden og plutselige endringer i belastningen på pendelen generere betydelige støtkrefter. Disse kreftene overføres gjennom mekanismen og kan påføre transmisjonskomponentene, inkludert de koniske tannhjulene, store påkjenninger.

For å beskytte mekanismen mot slike overbelastninger har Monitor en utvendig mekanisk sikring, vanligvis omtalt som et sikkerhetsrør eller en skjærbolt. Denne komponenten er spesielt konstruert for å fungere som et bevisst svakt punkt som bryter ved for høy belastning, før belastningen kan forårsake mer alvorlige skader på transmisjonssystemet.

Sikkerhetsrøret er ikke bare en ekstra sikkerhetsfunksjon; det er en integrert del av strategien for håndtering av overbelastning som følger av systemets mekaniske konstruksjon. Monitor leverer en ekstra sikring sammen med vindroret, med tanke på at den kan måtte skiftes ut dersom den ryker i løpet av systemets levetid.

Rapporter fra brukere av Monitor og andre vindror med offerkomponenter, som Aries og Hydrovane, knytter ofte slike brudd til høye mekaniske belastninger, som oftest oppstår i hardt vær og under krevende sjøforhold.

Selv om sikkerhetsrøret har en viktig beskyttende funksjon, kan utløsningen under ekstreme belastningsforhold også føre til et midlertidig tap av vindrorets styreevne inntil komponenten er skiftet ut.

3. South Atlantic håndterer overbelastning på en annen måte

South Atlantics vindror benytter en annen mekanisk konstruksjon og er ikke avhengige av et separat, offerbasert sikkerhetsrør.

Flere konstruksjonsegenskaper skiller denne løsningen fra andre:

• Direkte kraftoverføring via universalledd i stedet for koniske tannhjul: South Atlantic benytter en mekanisk transmisjon basert på et universalledd og et system med skyvestag, i stedet for en lukket mekanisme med koniske tannhjul. Denne enklere løsningen unngår de spesifikke feiltypene som er forbundet med tannhjulstenner. Risikoen for svikt i koniske tannhjul er null i South Atlantic, ganske enkelt fordi South Atlantic ikke bruker koniske tannhjul. Hele transmisjonen er konstruert for å overføre bevegelsen direkte, uten et offerbasert rør i kraftoverføringen som er ment å ryke.
• Servobladet som et fleksibelt element: Servobladet arbeider i vannet og er en integrert del av styremekanismen. Det høystyrke polyetylenet som brukes i South Atlantics servoblad, gir en viss fleksibilitet og gjør at bladet kan bøye seg under hydrodynamisk belastning. Denne fleksibiliteten, sammen med bladets geometri og innfesting, er en del av systemets respons på dynamiske krefter.
• Kontrollert friksjon og relativ bevegelse: Plasseringen av styrelinene og transmisjonskomponentene tillater en viss grad av relativ bevegelse i mekanismen. Avhengig av belastningens type og retning kan denne bevegelsen påvirke hvordan kreftene overføres gjennom systemet og bidra til å unngå unødvendig brå belastning på enkeltkomponenter.
• Stor bevegelsesbue: Det store bevegelsesområdet som enkelte komponenter har, bidrar til å redusere sannsynligheten for brå kontakt med mekaniske stoppere ved ekstreme bevegelser. Dette er spesielt relevant når akterenden utsettes for plutselige bevegelser som følge av bølger, stamping eller rulling.

4. Er et vindror i rustfritt stål sterkere enn et i aluminium?

Ikke nødvendigvis. Fra et materialteknisk perspektiv vil det være feil å hevde at aluminium alltid er sterkere enn rustfritt stål. Enkelte kvaliteter av rustfritt stål, som 316, har betydelig høyere strekkfasthet enn mange av de marine aluminiumslegeringene som brukes mest.

Når man sammenligner vindror som er montert akter på en seilbåt, er det imidlertid ikke råmaterialets styrke alene som avgjør den ferdige konstruksjonens styrke eller ytelse.

En meningsfull sammenligning må ta hensyn til flere faktorer:

• Materialstyrke
• Konstruksjonsstivhet
• Vekt
• Geometri og tverrsnittsmål
• Godstykkelse
• Utforming av sammenføyninger
• Motstand mot utmatting og støtbelastninger
• Hvordan kreftene fordeles gjennom hele konstruksjonen

En konstruksjons ytelse avhenger av hvordan materialet brukes, ikke bare av materialets nominelle styrke.

5. Styrken til rustfritt stål forteller ikke hele historien

Rustfritt stål, som kvalitet 316, kombinerer gode mekaniske egenskaper med svært god korrosjonsbestandighet i mange marine bruksområder. Tettheten er imidlertid omtrent tre ganger så høy som for aluminium.

For å holde vekten på en konstruksjon i rustfritt stål montert akter på en seilbåt under kontroll, kan konstruktørene være nødt til å bruke rør og komponenter med relativt tynne vegger.

Slike konstruksjoner kan gi svært god styrke under de driftsforholdene de er beregnet for. Men når de gjentatte ganger utsettes for dynamiske belastninger, bøying og vibrasjoner fra bølger, blir geometrien, godstykkelsen og utformingen av støttene like viktige som selve materialstyrken.

En svært stiv konstruksjon kan også overføre støtbelastninger effektivt til tilkoblede komponenter. Avhengig av konstruksjonen kan dette kreve ekstra tiltak for å beskytte bestemte mekaniske deler mot overbelastning.

Monitors sikkerhetsrør er et eksempel på en teknisk løsning der en bestemt offerkomponent brukes for å beskytte andre deler av mekanismen under visse overbelastningsforhold.

6. Fordelene med aluminium

De høykvalitets marine aluminiumslegeringene som brukes i South Atlantics vindror, gjør det mulig å konstruere relativt store, tykke og robuste strukturelle profiler uten å tilføre unødvendig mye vekt i båtens akterende.

• Masse og geometri: For en gitt konstruksjonsvekt gjør aluminium det mulig å bruke større tverrsnitt og kraftigere profiler enn det som vanligvis ville vært praktisk med rustfritt stål. Større tverrsnitt som er riktig dimensjonert, kan gi svært god motstand mot bøying og vridning.
• Konstruksjonsstivhet: Aluminium har en lavere elastisitetsmodul enn rustfritt stål, noe som betyr at det deformeres mer under samme belastning og med identisk geometri. Ved å øke dimensjonene og tykkelsen på tverrsnittet kan en riktig konstruert aluminiumsstruktur likevel oppnå den stivheten som kreves for den tiltenkte bruken. Det er derfor viktig å skille mellom stivheten til den ferdige komponenten og materialets iboende stivhet.
• Elastisk deformasjon: Aluminiums lavere elastisitetsmodul gir større elastisk deformasjon ved en gitt belastning og med tilsvarende geometri. Når konstruksjonen er riktig utformet, kan denne egenskapen bidra til hvordan strukturen reagerer på dynamiske belastninger. Den faktiske støtmotstanden avhenger imidlertid også av materialets styrke, duktilitet, geometri, sammenføyninger og belastningsforhold.
• Lav vekt: Å redusere vekten på en konstruksjon montert akter er ikke bare et spørsmål om bekvemmelighet. Det reduserer også treghetskreftene som oppstår når båten beveger seg, og begrenser den ekstra vekten som samles i den ene enden av fartøyet. Dette er spesielt relevant under havseilas, der stamping og plutselige bevegelser i akterenden kan skape betydelige dynamiske belastninger.
• Lagere og kompatible materialer: Bruk av aluminium i kombinasjon med POM (polyoksymetylen) og andre materialer som er egnet for marint miljø, gjør det mulig å bygge støtte- og leddsystemer med lav friksjon. Disse materialkombinasjonene unngår også behovet for direkte glidekontakt mellom overflater av rustfritt stål i enkelte komponenter.

Målet er ikke bare å velge et lett materiale, men å utnytte materialets mekaniske egenskaper til å utvikle en konstruksjon som er riktig dimensjonert for de forventede belastningene og driftsmiljøet.

7. Konklusjoner