So bauen Sie ein Ruder für Ihr Boot

Der Aufprall auf ein untergetauchtes Objekt zerstörte Mike Gudmunsens Ruder ... also machte er sich daran, ein neues zu bauen

Das Ruderhorn von Mike Gudmunsens Yacht hatte sich von der Handfläche gelöst, sodass die beiden Seiten der Handfläche noch immer mit dem Rumpf verschraubt waren. Bildnachweis: Mike Gudmunsen Bildnachweis: Mike Gudmunsen

Wie baut man ein Ruder?

Die Blackwater-Mündung oberhalb der Insel Osea trocknet bei Niedrigwasser, schreibt Mike Gudmunsen.

Im Laufe der Jahre sind an den Rändern Holzstege, Fischreusen und sogar Kähne dem Verfall preisgegeben worden, was für Unvorsichtige eine Gefahr darstellt – ebenso wie neuere, von Menschenhand geschaffene Hindernisse wie die Dammwege zu den Osea- und Northey-Inseln.

Die Springflut war ziemlich groß und der Fluss war angeschwollen und bedeckte die umliegenden Salzbrei. Die Insel Northey war bis auf den Hügel, auf dem das Wirtschaftsgebäude steht, so gut wie verschwunden.

Ich hatte mit meiner Pegasus eine schöne Segeltour um die Insel Osea genossen und hatte Zeit für ein Bier im Goldhanger Creek, aber beim Verlassen verlor ich aufgrund der ungewöhnlich großen Wasserfläche die Orientierung.

Ich geriet in eine unbekannte Bucht und das war mein Verhängnis, denn kaum war ich drin, lief ich auf Grund.

Hektische Motormanöver und das Schaukeln des Bootes auf den Kielen gaben das Boot frei, und als ich dann zurück zum Hauptkanal ging, gab es einen lauten Krach, das Boot blieb stehen und die Pinne wurde mir aus der Hand gerissen – ich war gegen ein untergetauchtes Objekt gestoßen und Was auch immer es war, es war ziemlich schwer.

Obwohl Mike zuvor den Rumpf rund um die Ruderverbindung verstärkt hatte, richtete die Erdung dennoch Schaden an. Bildnachweis: Mike Gudmunsen

Vom Pinnenwinkel und den sichtbaren Schäden an der Spiegeloberseite im Bereich des oberen Ruderlagers her stimmte etwas nicht.

Mit minimalem Steueraufwand humpelten wir zu unserem Liegeplatz weiter flussaufwärts zurück, um zu überlegen, was wir als nächstes tun sollten.

Als wir die Yacht herausholten und den Schaden untersuchten, stellten wir fest, dass sich das Ruderhorn von der Handfläche gelöst hatte und die beiden Seiten der Handfläche immer noch mit dem Bootsrumpf verschraubt waren.

Ich hatte den Rumpf rund um diese Verbindung bereits 2009 verstärkt, da ich mir Sorgen über die möglichen Auswirkungen eines Aufpralls auf das Ruder machte – wie sich herausstellte, zufällig.

Ohne diese zusätzliche Verstärkung wären die Bolzen vermutlich durch das GFK gezogen worden und ich hätte mit einem Totalschaden rechnen müssen.

Die Überreste der Palme. Bildnachweis: Mike Gudmunsen

Pegasus-Yachten haben eine eher ungewöhnliche Ruderanordnung.

Ein Ruderhorn aus Aluminiumguss, das auf etwa der Hälfte seiner Tiefe die Vorderkante des Ruders bildet, ist über eine Handfläche mit dem Rumpf verschraubt.

An seinem unteren Ende stützt ein Zapfenlager das Ruder und nimmt den größten Teil der seitlichen Ruderkraft auf.

Eine hohle Edelstahlwelle verläuft durch das Zapfenlager und endet über dem Spiegel am Deichselkopf.

Nachdem ich das Ruder entfernt und die restlichen Teile der Palme gelöst hatte, besichtigte ich verschiedene Werften und Jachthäfen in der Hoffnung, das Ruder reparieren zu lassen.

Die Hersteller von Pegasus-Yachten haben vor vielen Jahren ihre Geschäfte aufgegeben, und es war offensichtlich, dass ein Ersatzruderhorn aus Guss so selten war wie Hühnerzähne.

Daher bestand die einzige Möglichkeit darin, ein Spatenruder zu entwerfen und anzubringen und von der ursprünglichen Ruderanordnung im „Mariner“-Stil abzuweichen.

Das Ruder war schon immer leicht und reaktionsfreudig, daher war ich bestrebt, diese Eigenschaften auch beim neuen Ruder beizubehalten.

Ich habe die ursprünglichen Ruderabmessungen und das ursprüngliche Seitenverhältnis sowie die Position des Ruderschafts relativ zur Vorderkante beibehalten.

Das ursprüngliche Ruder hatte eine Sehne von 410 mm und eine maximale Dicke von 63 mm.

Ein NACA 0015-Tragflächenprofil kommt diesen Anforderungen sehr nahe, und ich konnte die Abschnittsversätze von einer Website im Internet abrufen.

Es gibt wichtige Unterschiede zwischen dem ursprünglichen „Mariner“-Ruder und dem vorgeschlagenen Spatenruder.

Ein Ruderhorn aus Aluminiumguss, das auf etwa der Hälfte seiner Tiefe die Vorderkante des Ruders bildet, ist über eine Handfläche mit dem Rumpf verschraubt. Bildnachweis: Mike Gudmunsen

Beim Original wurde die Seitenkraft des Ruders über das Zapfenlager in das Ruderhorn übertragen, das an der Schraubverbindung zum Rumpf einer Biegung standhält.

Bei dieser Anordnung trägt der Ruderschaft im Wesentlichen nur das Ruderdrehmoment und infolgedessen kann der Schaft hohl und von bescheidenem Durchmesser sein.

Meins hatte einen Durchmesser von 38 mm und eine Wandstärke von 3 mm.

Bei einem Spatenruder muss der Schaft selbst Biegungen, Scherungen und Torsionen standhalten und müsste natürlich viel dicker und möglicherweise stabiler sein.

Bei einer kurzen Recherche im Internet finden Sie zahlreiche Hinweise auf Methoden zur Berechnung der auf ein Ruder wirkenden Kräfte.

Grundsätzlich verwenden sie alle die Blattfläche (Ar) und die Bootsgeschwindigkeit (V) in Knoten, zusammen mit einigen anderen Parametern wie Auftriebskoeffizient, Blattseitenverhältnis und so weiter.

Für den von mir gewählten Tragflügelabschnitt habe ich die in Newton gemessene Konstruktionsseitenkraft (Dlf) auf das Ruderblatt wie folgt angenommen:

Dlf =100A(V+3)2

Wer genau hinschaut, wird bemerken, dass der Auftriebskoeffizient und das Seitenverhältnis in dieser Gleichung keine Rolle spielen, da meine Erhöhung der Geschwindigkeit um 3 Knoten als Ausgleich für diese Effekte in Betracht gezogen werden könnte.

Das ursprüngliche Ruder war 980 mm hoch und hatte eine Sehne von 410 mm, was eine Fläche von 0,4018 m2 ergab.

Ich ging davon aus, dass die Entwurfsgeschwindigkeit meiner 26-Fuß-Yacht 5 Knoten betrug. Somit betrug die Seitenkraft 2.572 N (262 kg).

Diese Kraft wirkt in der vertikalen Mitte des Blattbereichs und, für den von mir ausgewählten NACA-Abschnitt, bei 1⁄3 der Profilsehne von der Vorderkante.

Fortsetzung unten…

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Nachdem die Position des oberen und unteren Lagers festgelegt war, ergab eine einfache Momentenberechnung für das obere Lager die Reaktionskraft am unteren Lager (3.983 N): Ebenso ergab die Berechnung der Momente um das untere Lager die Reaktionskraft am oberen Lager ( 1.411N).

Durch Multiplikation der seitlichen Ruderkraft mit dem Abstand von der Blattflächenmitte zum unteren Lager wurde das Biegemoment ermittelt:

Mb = 0,483 m x 2.572 N = 1.242 Nm

Das Drehmoment am Ruder (Mt) wurde durch Multiplikation der Seitenkraft mit dem Abstand zwischen der Wellenachse und dem Druckmittelpunkt berechnet.

Für mein Ruder ergab sich ein Wert von 2.572 x (0,41 x 0,33-0,10) = 91 Nm; ungefähr 10kg.

Interessanterweise legen Klassifikationsgesellschaften einen Mindestabstandswert von 0,12 x Sehnentiefe fest, was zu einem größeren Drehmoment von 127 Nm führt.

Der Ruderschaft würde aus Edelstahl der Güteklasse 316 bestehen.

Obwohl Edelstahl keine Streckgrenze aufweist, wird im Allgemeinen ein Spannungswert für einen definierten Prozentsatz der plastischen Dehnung verwendet, um die Nennstreckgrenze darzustellen.

Daten aus dem Internet ergaben eine UTS (ultimative Zugfestigkeit) von 485 N/mm2 und eine nominale Streckgrenze von 210 N/mm2.

Der Schaftdurchmesser würde durch den Durchmesser des vorhandenen Ruderkokers und auch durch die Dicke des Ruderblatts begrenzt.

Der Ruderkoker hatte einen Innendurchmesser von 50 mm.

Die Ruderblattdicke von 63 mm, abzüglich zwei Lagen 9 mm Lage, ermöglicht einen maximalen Schaftdurchmesser von 45 mm, sodass klar war, dass 45 mm der größte Durchmesser sein würden, der in Verbindung mit diesen physikalischen Grenzen untergebracht werden könnte.

Um die statische Eignung des Schachts zu bestätigen, mussten einige grundlegende Berechnungen durchgeführt werden.

Ein Schaft mit 45 mm Durchmesser hat die folgenden Eigenschaften:

Die ScherflächeA = π r2 = 1.591mm2 s

Abschnittsmodul Z = Ππ d3/32 = 8.946 mm3

Die TorsionskonstanteJ = Ππ d4/32 = 402,578 mm4

Die Biegespannung im Schaft beträgt Mb/Z = 1.242 x 1.000/8.946 = 139 N/mm2

Die durchschnittliche SchubspannungF/As = 3.983/1.591 = 2,5 N/mm2.

Die Torsionsspannung Mtr/J = 91 x 1.000 x 22,5/402.578 = 5,0 N/mm2

Aus den Ergebnissen geht hervor, dass die Biegespannung die dominierende Spannung ist, was einen Sicherheitsfaktor für die Nennstreckgrenze von 1,5 ergibt.

Die Scher- und Torsionsspannungen sind so gering, dass ich sie praktisch ignoriert habe.

Da ich nun den Wellendurchmesser hatte, konnten die Lagerabmessungen berechnet werden.

Um den Abstand auszugleichen, musste unterhalb des Ruderträgerrings ein Delrin-Distanzring angeordnet werden. Bildnachweis: Mike Gudmunsen

Delrin hat sich bei Ruderlagern bewährt – es lässt sich leicht bearbeiten und weist eine sehr geringe Feuchtigkeitsaufnahme auf, insbesondere im Vergleich zu Nylon.

Veröffentlichte Daten zu Lagerdrücken für synthetische Lagermaterialien legen nahe, dass die Auslegungsdrücke 5,5 N/mm2 nicht überschreiten sollten.

Basierend auf den Lagerkräften von 3.983 N und 1.411 N benötigte ich Lagerflächen von 724 mm2 bzw. 256 mm2.

Aus rein praktischer Sicht wurden letztendlich Lagertiefen von 16 mm am oberen Lager und 45 mm am unteren Lager gewählt, was jeweils mehr als das Doppelte der benötigten Mindestflächen ergab.

Der Ruderschaft würde erheblichen maschinellen Bearbeitungen unterliegen und Angels müssten daran angeschweißt werden, um das Ruderdrehmoment auf den Schaft zu übertragen.

Eine örtliche Marina-Werkstatt hat die Arbeit erledigt.

Das Ruderblatt würde aus 9 mm starkem Sperrholz in Marinequalität laminiert, das nach der Formgebung und Verkleidung mit GFK ummantelt und schließlich mit Epoxidharz beschichtet wurde.

Die Verschraubungsstelle der ursprünglichen Handfläche bot eine praktische Stelle für das neue untere Lager.

Die Lagerplatte ist verschraubt. Bildnachweis: Mike Gudmunsen

Mit einem passenden Dorn als Blindwelle habe ich eine Pappschablone für die untere Lagerplatte angefertigt.

Um ehrlich zu sein, habe ich wahrscheinlich drei oder vier Vorlagen erstellt, bevor ich überzeugt war, dass die Maße so genau wie möglich waren.

An diese untere Lagerplatte müsste im exakt richtigen Winkel ein Edelstahlrohr geschweißt werden, das das untere Lager trägt.

Eine örtliche Maschinenbauwerkstatt fertigte für mich die oberen und unteren Lagerplatten, das Lagerrohr, die Delrin-Lager und den Ruderträgerring.

Die abschließende Verschweißung des Lagerrohres mit der unteren Lagerplatte erfolgte durch einen Vereinskollegen mittels WIG-Schweißen. Bildnachweis: Mike Gudmunsen

Als Blindlager wurde eine Stahlbuchse verwendet, damit das Lagerrohr an der unteren Lagerplatte angeschweißt werden konnte, während sich die Ruderwelle im Einbau befand.

Delrin schmilzt offenbar bei etwa 160 °C und sollte daher am besten vom Schweißprozess ferngehalten werden.

Nach dem Ausbau erfolgte die endgültige Verschweißung des Lagerrohrs mit der unteren Lagerplatte durch ein Vereinskollege mittels WIG-Schweißen.

Obwohl wir das Dummy-Lager an Ort und Stelle beließen, führte die Hitze des Schweißens dazu, dass sich das Lagerrohr leicht verzog, sodass das Delrin-Lager angepasst werden musste, damit es passte.

Das neue Spatenruder war erheblich schwerer als das alte und musste zu zweit von uns durch den Ruderschaft nach oben geführt werden, während ein anderer die oberen Lagerkomponenten und den Trägerring zusammenbaute.

Sobald die untere Lagerplatte angebracht war, wurde sie mit dem Rumpf verschraubt.

Beim Messen der Schaftlänge hatte ich einen Spielraum von 10 mm zur Gesamtlänge hinzugefügt, für den Fall, dass etwas nicht wie geplant passte.

Die letzte Ruderbaugruppe. Bildnachweis: Mike Gudmunsen

Letztlich betrug die Länge 8mm, so dass unterhalb des Ruderträgerrings ein Delrin-Distanzring angeordnet werden musste, um den Abstand auszugleichen.

Ein Clubmitglied spendete das Delrin und führte die Bearbeitung für mich durch.

Die Fertigstellung des Ruderaustauschs – einschließlich der Erstellung von Zeichnungen für den Yachthafen und der Maschinenwerkstätten sowie der Beauftragung einer Reihe hilfsbereiter Clubmitglieder für die Bearbeitung und das Schweißen – dauerte etwas mehr als drei Monate.

Das gesamte Projekt erwies sich als sehr lohnend und entspricht durchaus den Fähigkeiten der meisten praktisch veranlagten Bootsbesitzer.

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