Запасное перо руля у нас собой было,
но мы были абсолютно уверены,
что довезем его до Бразилии!
Из дневника Евгения Ковалевского,
участника экспедиции на "Energy Diet".

Почему ломаются рули?

Поломка руля — одна из самых частых аварий. Иногда, как видно на фотографии, может не выдержать и рулевая коробка. Попробуем разобраться, как происходят такие неприятности.

На хорошо уцентрованной лодке усилия на руле совсем малы, румпель можно удерживать двумя пальцами. Но это на острых курсах. Настоящая работа для руля на фордевинде. Наполненный грот стремится привести лодку к ветру, попутная волна вызывает рыскание — тут уж румпель приходится держать крепко и работать им интенсивно и иногда с нешуточной силой, парируя подкидывание кормы волнами и порывы ветра.

Подъемная сила, возникающая на пере руля, образует два момента вращения. Во-первых, это момент по отношению к вертикальной оси крепления коробки, который и разворачивает судно. Во-вторых, это вращающий момент вокруг горизонтальной оси, который стремится переломить перо и вывернуть рулевую коробку.

Оценка сил, действующих на руль

Рис.1. Силы, действующие на перо руля.

Рассмотрим рулевое устройство из пера, которое закреплено в рулевой коробке. Здесь

h₁ — высота рулевой коробки,
h₂ — расстояние от коробки до воды,
h₃ — высота погруженной части пера,
P — результирующая сила давления воды,
P₁ — реакция верхнего края коробки,
P₂ — реакция нижнего края коробки.

Считаем, что сила P приложена на половине высоты подводной части (для простоты считаем перо прямоугольной пластиной). Тогда

P₁ = P * (h₃/2 + h₂) / h₁ и P₂ = P + P₁

Ясно, что чем выше коробка, тем эффективней она противостоит изгибу пера и тем труднее ее свернуть.

Самое вероятное место поломки пера — у нижней кромки рулевой коробки, здесь будет максимальный изгибающий момент. К тому же вблизи кромки крыльевой профиль обычно переходит в прямоугольное сечение, что также будет способствовать излому (лучше, если оформление профиля начнется немного ниже).

Для оценки максимально возможной величины силы Р необходимо принять некоторое значение коэффициента подъемной силы пера C_y. При нулевом угле атаки он равен нулю (случай идеальной центровки: лодка идет без усилий на руле). Отметим, что угол атаки может появляться не только за счет рулежки. При ходе на волнении значительное усилие на руле может появляться и когда руль стоит строго в ДП: направление набегающего потока обусловлено не только ходом лодки, но и волновыми циркуляционными течениями.

Для плоских пластин C_y не превышает 1, для крыльевых профилей на оптимальных углах атаки 10-15° может достигать 1,2-1,4. Примем C_y за 1,2.

Что будет с коробкой?

Поскольку коробка открыта со стороны, противоположной транцу, сила давления пера руля воспринимается в основном по линии стыка щечки и основания коробки. Так как щечки стянуты осью, вторая щечка коробки тоже воспринимает какую-то часть нагрузки, но повидимому небольшую. Ведь щечки коробки и перо руля не стянуты намертво в плотный пакет: перо свободно вращается внутри.

Рис.2. Давление пера руля на щечку коробки, вид сзади и вид сверху.
Серым цветом показано возможное усиление П-образным пояском.

Сила давления пера руля в итоге приходится на место изгиба или сварки щечки коробки с основанием, заставляя щечку работать на срез (тонкая красная линия на рис. 2 справа). Дальше через коробку это усилие передается на детали ее крепления, петли подвеса или укосины.

Каким будет напряжение среза, зависит от того, на какую высоту от кромки коробки распространится пятно контакта. Если бы перо было изготовлено из закаленной стали, мы получили бы "ножницы по металлу". Но материал пера обычно мягче материала коробки и будет деформироваться первым, поэтому предположим, что высота пятна контакта будет порядка от одного до нескольких см. Понятно, если перо в коробке болтается с большим люфтом, область контакта будет меньше, а напряжение среза выше. Для расчета напряжения среза стенки коробки в калькуляторе принята высота контакта 25 мм.

.

Калькулятор

Можно попробовать получить представление о величине действующих сил.

Конструктивные размеры укажите для своей лодки, по умолчанию стоят произвольные.

Скорость, которую может развить лодка, подставляйте по вкусу - но, во всяком случае, для катамаранов "Ветер" и даже "Альбатрос 16" 25-30 км/ч в гонках достигались, а 15 км/ч - вполне обычный ход в добрый попутный ветер и с полной походной загрузкой.

Напряжение изгиба для пера считается как для цельного прямоугольного сечения.

Надо еще раз подчеркнуть: эта оценка нагрузок не для нормального установившегося движения. А вот если, например, на всем ходу переложить руль. Или в море словить боковую плюху...

А теперь сравним

с пределами прочности материалов в кГс/мм² (цифры ориентировочные):

Алюминиевые сплавы	20-30
Нерж.сталь 12Х18Н9Т	53 (а предел текучести всего 21: гнется)
Стеклопластик	~12
Дерево	5-10
Титан и углепластик	~90

И это на изгиб, а при работе на срез (стенки коробки) пределы прочности наверное ниже. Не забудем и про усталость материала, длительную знакопеременную нагрузку. Для ее учета надо знать соответствующие коэффициенты.

Но и без учета этих факторов, просто поиграв с цифрами, можно убедиться, что запечатленная на фотографии печальная картина не удивительна. Рули и коробки стоит делать с запасом прочности побольше! Около нижней и верхней кромок коробок неплохо бы применять усиливающие пояски.

Г.Шмерлинг
Затею соорудить калькулятор стимулировал опыт плавания "EnergyDiet"
и его обсуждение в форуме Под Гиком.