Windvaanbesturing

Windvaanbesturingen zijn voor zeilboten interessant omdat deze geen elektrische energie gebruiken. Elektriciteit die geleverd wordt door accu’s welke weer worden geladen door zonnepanelen, windgeneratoren of door regelmatig de motor te laten draaien. Ook schroefasdynamo’s kunnen de accu’s opladen. Windvaanstuurinrichtingen hebben dat allemaal niet nodig, deze werken normaliter volledig energiebron onafhankelijk.

Wanneer het energievraagstuk is opgelost kunnen elektrische stuurautomaten worden toegepast, die veelal een signaal van een elektronisch kompas omzetten in een elektrische roerbediening. Geavanceerde systemen kunnen daarbij zijn uitgebreid met de elektronische en digitale signalen van GPS en een windvaan om een zeiljacht zo comfortabel mogelijk door de wind en golven te sturen.

Het project waaraan wij werken zou je kunnen noemen ‘het uitvinden van het wiel’. Wat gemaakt wil worden bestaat al, is zelfs ruimschoots ingehaalde techniek. Het is dan ook vooral bedoeld als een leer- en hobbyproject, om van ter beschikking staande onderdelen een werkende windvaan stuurautomaat te bouwen waarbij het roer elektrisch wordt bediend.

Het voordeel is: geen trimroer, pendulum of hulproer aan de boot, veelal kwetsbare onderdelen vooral in de haven. En dat er geen definitieve aanpassingen nodig zijn aan de zeilboot zelf, zoals het boren van gaten in romp en roer.

Het nadeel is: dat het systeem elektrische stroom gaat gebruiken, er gaat een beroep gedaan worden op de stroomhuishouding van de boot.

Elektrische stuurautomaat op windvaan

Een project, het bouwen van een windvaanstuurautomaat voor een zeilboot waarbij de helmstok en daarmee herboren elektrisch worden bediend. Voor handen zijn een elektrische ‘tiller’ oorspronkelijk behorend tot een Nautech Autohelm 2000 waarvan de elektronische kompasunit  defect is. In de ‘tiller’ is een vervangende 12 volt gelijkstroom elektromotor ingebouwd, eveneens omdat de oorspronkelijke motor defect was. Ook voor handen is een windvaansteun met terugkoppelingsmechanisme zonder windvaan afkomstig van een Nautech Autohelm 1000. Het idee is een windvaan bouwen die elektrische schakelingen tot stand brengt en de elektromotor in de ‘tiller’ linksom of rechtsom te laten draaien, en daarmee via de helmstok de boot sturende op de wind. De windvaan komt op de windvaansteun met het terugkoppelingsmechanisme naar de helmstok volgens het concept van de Autohelm 1000: ‘lijntje, blokje, haakje’. De windvaansteun zelf is al instelbaar op de schijnbare windrichting. De uitdaging is een werkende windvaan te realiseren, gevoelig en krachtig genoeg om de elektrische schakelingen tot stand te brengen.

Aanwezig: een Nautech Autohelm windvaansteun met terugkoppelingsmechanisme via een lijntje naar de helmstok, (boven) en Nautech Autohelm ‘tiller’ (onder)

Drager van de windvaan concept 1

Een eerste constructie van het plateau waarop de windvaan gemonteerd kan worden, inclusief de elektrische schakelingen. In het plateau is een PVC bus gelijmd met tweecomponentenlijm. De wangen waren aanvankelijk 10 millimeter dik maar deze voelde wat zwak aan waarop de wangen zijn gedubbeld naar 20 millimeter watervast multiplex. Maar de eerlijkheid gebied te zeggen dat het geheel inmiddels ruim 400 gram is gaan wegen, nog exclusief de windvaan, het balansgewicht en de elektrische schakelingen. De windvaansteun die we willen gaan gebruiken is stevig maar oorspronkelijk bedoeld voor een kleine kunststof windvaan. Vandaar dat dit windvaanplateau terzijde wordt geschoven, en dat er een lichter en compacter exemplaar gaat worden gemaakt.

Het windvaan plateau dat te degelijk is uitgevallen en daarom terzijde wordt geschoven. Wellicht voor een ander project?

Drager van de windvaan concept 2

Een tweede opzet, letterlijk en figuurlijk, 10 millimeter watervast multiplex vormgegeven met wat hoekstukken, in dit stadium een gewicht van iets meer dan 250 gram inclusief een PVC constructie om het geheel op de windvaansteun te monteren. We zijn een stap vooruit, dit ziet er al beter uit.

Windvaan plateau concept 2 wat stijlvoller vormgegeven dan het eerste exemplaar, en 150 gram lichter. Bijna de helft van het eerste exemplaar, maar het voelt stevig genoeg aan om de vaan te gaan dragen

De horizontale as van de windvaan

De windvaan steun met horizontale as in glijlagers

De horizontale as van de windvaan

Het plateau van de windvaan begint vorm te krijgen, kan draaibaar op de windvaansteun worden gemonteerd. Er gaat nog wel een busje ingelijmd worden vanwege de huidige speling over de terugkoppelstang, maar dat komt later. Nu is de as waarop de windvaan gaat bewegen aan de beurt. Deze moet soepel lopen om de windvaan gevoelig te laten reageren op de wind, maar tegelijk ook stevig zijn. Er gaat een RVS staaf van 5 millimeter doorsnede als horizontale as gebruikt worden, aan de uiteinden gedragen in kunststof plaatmateriaal, met tweecomponentenlijm tegen de houten wangen gelijmd. Tijdens het stellen en het lijmen is de RVS as in de openingen gestoken geweest, om het uitlijnen te vereenvoudigen. Een keuzemogelijkheid was de kunststof draagsteunen binnen de wangen te lijmen, had zeker mooi afgewerkt gestaan, maar door de steunen aan de buitenzijde te lijmen blijft er meer ruimte over tussen de wangen voor het contragewicht en de elektrische schakelingen. Op de onderstaande foto is een extra laag kunststof aangebracht om de horizontale as meer gedragen te laten worden. Ook ‘oogt’ het beter en robuuster. Het project gaat worden vervolgd …

De horizontale RVS as van de windvaan in soepel lopende glijlagers
Windvaan stuurautomaat in wording, de drager van de horizontale asdrager is gedubbeld

Electrische schakelingen

Om de helmstok met daaraan het roer heen en weer te bewegen is het nodig dat de 12 volt gelijkstroom elektromotor van draairichting veranderen kan, te realiseren door de plus en de min te wisselen. De draairichting van de elektromotor bepaalt de bewegingsrichting van het roer en daarmee de vaarrichting van de zeilboot. De uitdaging is hoe deze schakeling te realiseren, maar ook zonder kans op kortsluiting. De tweede uitdaging is dit te laten gebeuren met geringe mechanische weerstand, vanwege de ‘bediening’ door de windvaan. De derde uitdaging is de natte omgeving, in weer en wind.

Contactpunten op windvaan

De gedachten zijn uitgegaan naar contacten aanbrengen op de windvaan zelf: contactpunten plus en min aan beide zeiden van de windvaan en op de steun. Maar dan bevinden zich deze contacten in weer en wind, waar deze kunnen oxideren, bij vochtigheid stroomverlies op gaat treden, sluiting kunnen veroorzaken in aanraking met metalen. Ook zal de bedrading al buigende met de windvaan mee een mechanische weerstand veroorzaken, en vraagt de afstelling van de contacten aandacht. Eigenlijk is dan een flexibele opstelling van de contactparen wenselijk.

Motorschakeling met contacten op de windvaan

Eindschakelaars

De volgende gedachte is de toepassing van eindschakelaars op de windvaan, maar dat worden er dan vier stuks, twee aan twee, de vraag is of de mechanische weerstand overwonnen kan worden door de windvaan. En bovendien, waterdichte eindschakelaars zijn behoorlijk aan de prijs. Daarbij zal er een aanzienlijke gewichtstoename zijn op het plateau van de windvaan. In een proefopstelling zal het bovenstaande kunnen gaan werken, maar daar laten we het bij deze bij.

Schuifcontacten

De volgende overweging is die van schuifcontacten, welke in een (spat)waterdichte doos geconstrueerd kunnen worden. Zeker het overwegen waard. De schakelkast zou zelfs laag gemonteerd kunnen worden, aan de voet van de windvaansteun, met minder bedrading. Aandacht vraagt bij schuifcontacten een nauwkeurige afstelling, zodat plus en min niet ongewenst schakelen met gevaar voor kortsluiting, of het verbreken van gewenste contacten.

Motorschakeling met schuifcontacten in (spat)waterdichte behuizing

Draaischijfcontacten

Daarop voortbordurende kwam de gedachte op van een draaischijf met sleepcontacten volgens het onderste concept. In een rommeldoos hebben wij een dergelijke schakelaar liggen, klein van formaat en eigenlijk bestemd voor speelgoed en de modelbouw, maar een op maat gemaakt exemplaar zou het zomaar kunnen gaan worden, en dan ondergebracht in een (spat)waterdichte behuizing. Minder gevoelig voor afstelling vanwege de langere sleepcontacten, minder kans op kortsluiting en verbreking van contacten, en de mogelijkheid om via hefbomen windvaan en draaischijf op elkaar af te stemmen. Hiermee zijn er drie of zelfs vier opties benoemd waarbij de toepassing van de draaischijf met contacten vooralsnog de beste papieren heeft. Tenzij er nog een beter idee opborrelt natuurlijk …

Motorschakeling met draaischijf in (spat)waterdichte behuizing

Schakelaar

Begonnen met de elektrische schakeling van de windvaan stuurautomaat, en wel om twee redenen, enerzijds voor de afwisseling, om de aandacht te vestigen op iets anders dan het mechanische gedeelte, anderzijds om een inschatting te kunnen gaan maken over de omvang van de windvaan: want de windvaan moet de elektrische schakelingen gaan maken. Het hart van het elektrische gedeelte dus, de schakelkast waarin de 12 volt gelijkstroom beurtelings van polariteit gaat wisselen, volgens het concept van de draaischijf.

Schakelaar voor het omwisselen van de plus- en de minpool

Links en rechts in het de kast zijn verticaal twee messing platen te zien, waarvan de ene op de plus en de andere op de min worden aangesloten, met een spanning van 12 volt. Aan de achterzijde van de ronde schijf zijn recht tegenover elkaar sleepcontacten aangebracht, linksboven en rechtsonder van de schijf zichtbaar. De schijf is draaibaar, waardoor de sleepcontacten recht boven elkaar kunnen staan, dan wordt er geen elektrische stroom doorgegeven, maar schijf kan de sleepcontacten ook linksonder en rechtsboven plaatsen. De sleepcontacten geven de 12 volt gelijkstroom door aan de elektromotor.

Windvaan schakeling met plus – en minstrook

Om de sleepcontacten vloeiend over de aansluitstroken te laten bewegen ligt er een kunststof plaatje tussen de twee messing stroken. In een proefopstelling met een Ohm-meter werkt het nog wat haperend, de draaischijf moet wat worden aangedrukt om beide polen contact te laten maken. Maar meer druk bouwt ook mechanische weerstand op. De uitdaging is de omschakeling soepel te laten lopen en tegelijk goed contact te laten maken: aan de achterzijde bevindt zich een veerkrachtig plaatje rubber waar de kop van de RVS borstbout doorheen loopt, gedragen door een brede RVS ring. Met de zelfborgende moer is de aandrukspanning van de ronde schijf met sleepcontacten in te stellen.

Omschakeling 

Al eerder schreven wij dat het windvaan stuurautomaat project een leerproces is. Evenals dat het project vergelijkbaar is met het uitvinden van het wiel. Zo ligt er inmiddels een werkende draaischakelaar voor ons, behalve dan de behuizing en wat schroefjes en moertjes volledig samengesteld uit zelfgemaakte onderdelen. Maar om de stuurautomaat op een zeilboot in uiteenlopende omstandigheden een enigszins betrouwbare koers te laten sturen zijn er nog wel wat uitdagingen.

Om te beginnen maakt de schakelaar pas contact na een verdraaiing uit de middenstand van 40 a 45 booggraden. Daarmee is te verwachten dat er een behoorlijk slingerende koers gaat ontstaan, de windvaan moet een vergelijkbare uitslag gaan maken om de stuurmotor linksom of rechtsom aan het werk te zetten. Nu kan daar wel verbetering in aangebracht worden, bijvoorbeeld door de overbrengverhoudingen van de windvaan naar de schakelaar, maar dat kan al in beginsel veel beter.

Het tweede punt is de waterdichtheid van de schakelaar. We hadden onze gedachten er al over laten gaan, maar of een draaiende as, of een bewegende hefboom zal door een gat of gleuf de behuizing binnen moeten gaan. Zelfs het idee van dunne touwtjes door openingen in de behuizing laten water binnenlopen. Het streven is toch een stuurautomaat bruikbaar in weer en wind.

De derde conclusie die we hebben moeten trekken is dat het metaal geen massief messing bleek maar slechts ‘vermessingd’, met andere woorden, onder het mooie laagje een ander metaal. De inschatting is dat op termijn een verminderd elektrisch contact op zal treden door oxidatie of roest.

En dan is er de uitwerking van de mechanische verbinding met de windvaan. In proefopstelling is er van alles mogelijk, onderaan de windvaansteun, halverwege de steun of zelfs tussen de wangen van het plateau, zowel in horizontale als verticale positie. Maar allemaal met voor en nadelen ten aanzien van gewicht, nattigheid en werkbaarheid.

Een ander ‘meetkundig’ gegeven is dat een cirkelvormige beweging omgezet wordt in een tweede cirkelvormige beweging, waarbij het kleine ‘wiel’ een ongewenste draaiing kan gaan maken wanneer er door een onderste dode punt is gegaan.

Kortom, van het samenstellen van deze eerste schakelaar hebben we het nodige geleerd, maar we gaan een verbeterd exemplaar samenstellen: de plus- en minstrips dichter bij elkaar zodat de ‘contacthoek’ kleiner zal worden, zo rond de tien booggraden is het streven. Of toch het concept van schuifcontacten, waarbij de draaiende beweging van de windvaan omgezet wordt in een rechtlijnige beweging. Dat is de afweging. Daarbij gaan we massief messing gebruiken, dat gepolijst kan worden zonder door een toplaag heen te gaan. Ook gaat het formaat als geheel kleiner worden, om de plaatsingsmogelijkheden te vergroten. Het eerste exemplaar wordt bewaard, daar kan een handbediening van worden gemaakt.

Motorschakeling met schuifcontacten, links de PLUS- en MIN contacten boven elkaar, rechts de PLUS- en MIN contacten naast elkaar
Hoe een ompoolschakelaar met schuifcontacten samenstellen waarbij het onmogelijk is dat ‘PLUS’ en MIN” elkaar raken en kortsluiting veroorzaken; door deze opstelling en verhoudingen van afmetingen wordt dat gerealiseerd.

Disclaimer De bovenstaande schema’s zijn met zorg samengesteld, maar de veilige, schadevrije en functionele werking is niet gegarandeerd. Gebruik van de schema’s is dan ook geheel voor eigen risico van de gebruiker