Verfahren zum Steuern eines Wasserfahrzeugs mit einem Oberflächenantrieb

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Wasserfahrzeugs mit einem Oberflächenantrieb nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei schnellen motorgetriebenen Wasserfahrzeugen, insbesondere solchen mit einem Oberflächenantrieb, befindet sich der Schiffsrumpf bei höheren Geschwindigkeiten im Gleitzustand und liegt nur noch zu einem geringen Teil heckseitig im Wasser. Bei einer Kurvenfahrt und der damit verbundenen Schräglage des Wasserfahrzeugs verlagert sich die Kontaktstelle mit dem Wasser auf die Seitenfläche der Unterseite des Schiffsrumpfes wodurch sich die Kraftangriffsverhältnisse des Fahrwiderstandes am Schiffsrumpf ändern und ein Moment erzeugen. Ab einem kritischen Steuerwinkel und dem daraus resultierenden engen Kurvenradius ist ab einer bestimmten Geschwindigkeit das entstehende Moment so hoch, dass das Wasserfahrzeug aus seiner Bahn gedreht wird und kentern kann.

Der Oberflächenantrieb eines Wasserfahrzeugs besteht aus mindestens einer Antriebseinheit, deren Schubkraft durch eine Steuereinrichtung, die sich im Wesentlichen aus einem eine Propellerwelle führenden Schubrohr und einer Steuer- und Trimmaktuatorik zusammensetzt in ihrer Richtung verändert wird. Das Schubrohr ist über einen Gelenkpunkt schwenkbar mit dem Heck des Wasserfahrzeuges und der Antriebswelle, welche direkt vom Motor kommt oder von einem dem Motor nachgeschalteten Getriebe, verbunden. Außerdem wird das Schubrohr von der Trimmaktuatorik in einer vertikalen und, zum Herbeiführen einer Richtungsänderung des Wasserfahrzeugs, von der Steueraktuatorik in einer horizontalen Schwenkebene bewegt. Die maximale Bewegungsfreiheit in den beiden Ebenen wird durch einen maximal einstellbaren Steuerwinkel und einen Trimmbereich beschrieben. Das Maß für die jeweilige Verschwenkung ist der Steuerwinkel und der Trimmwinkel. Die Ansteuerung der Steuer- und Trimmaktuatorik erfolgt über eine elektronische Steuerungseinheit, in welche

auf elektronischem Wege das vom Schiffsführer gewünschte Steuerwinkelsignal eingeht. Die Einstellung des Trimmwinkels kann wahlweise in einer automatischen Betriebsart geschwindigkeits- bzw. drehzahlabhängig erfolgen. Um zu große Steuerwinkel bei hohen Geschwindigkeiten zu vermeiden, wird die Geschwindigkeit des Wasserfahrzeuges und der Steuerwinkel in der elektronischen Steuerungseinheit erfasst und in Abhängigkeit davon selbsttätig ein reduzierter maximal einstellbarer Steuerwinkel festgesetzt. Bei einer Verringerung der Geschwindigkeit wird der Steuerbereich wieder entsprechend vergrößert.

Bei hohen Geschwindigkeiten in Verbindung mit einem engen Kurvenradius, bzw. großem Steuerwinkel, nimmt das Wasserfahrzeug eine starke Schräglage ein, wobei der beschriebene instabile Fahrzustand noch nicht erreicht sein muss. Allerdings besteht bei einem Oberflächenantrieb, der aus mindestens zwei Antriebseinheiten besteht, ab einer kritischen Schräglage die Möglichkeit, dass der Propeller der kurvenäußeren Antriebseinheit nicht mehr im Wasser läuft. Aufgrund der nicht vorhandenen oder stark reduzierten Verdrängung des Propellers sinkt die Last und die Drehzahl steigt an. Die automatische Trimmregelung kann diesen Zustand nicht ausregeln, da die beiden Antriebseinheiten mechanisch gekoppelt sind und die Verbindung nur geringe Verschränkungen der Antriebseinheiten zulässt.

Aus der JP 02-279495 ist ein System bekannt, bei welchem bei einem Außenbordantrieb der maximal einstellbare Steuerwinkel mit zunehmender Geschwindigkeit mechanisch reduziert wird.

Die US 6843195 B2 beschreibt ein Steuersystem für einen Außenbordmotor, bei welchem der Quotient „ realisierter Lenkwinkel/über das Steuerruder eingegebener Lenkwinkel" mit steigender Geschwindigkeit abnimmt, so dass mit steigender Geschwindigkeit eine Drehung am Steuerrad am Außenbordantrieb eine geringere änderung des Steuerwinkels bewirkt wie bei niedrigen

Geschwindigkeiten. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Begrenzung des maximal einstellbaren Steuerwinkels in Abhängigkeit von der Drehzahl bzw. der Geschwindigkeit offenbart.

Beide Systeme beziehen sich nur auf Außenbordmotoren, deren Propeller- und Steueranordnung stark von der eines Oberflächenantriebs abweicht.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Steuern eines Oberflächenantriebs mit mindestens zwei Antriebseinheiten für die Kurvenfahrt im oberen Geschwindigkeitsbereich anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patenanspruchs 1 gelöst.

In einem Verfahren zum Steuern eines Wasserfahrzeuges ist ein Antrieb zur Herbeiführung einer Richtungsänderung des Wasserfahrzeuges um einen Steuerwinkel schwenkbar. Der Steuerwinkel ist nur bis zu einem maximal einstellbaren Steuerwinkel veränderbar, welcher in einem vorgegebenen Verlauf mit steigender Geschwindigkeit selbsttätig verkleinert wird. In einer Ausführung des Antriebs als Oberflächenantrieb, wird dieser in mindestens zwei Fahrbereichen betrieben und besteht aus mindestens zwei Antriebseinheiten, welche in vertikaler Richtung in einer voreinstellbaren automatischen Betriebsart um einen Trimmwinkel verstellt werden. In einem Fahrbereich, in welchem das Wasserfahrzeug seine Höchstgeschwindigkeit erreicht, verlässt erfindungsgemäß bei einer überschreitung eines in eine elektronischen Steuerungseinheit definierten ersten Grenzsteuerwinkels, welcher kleiner ist als der maximal einstellbare Steuerwinkel, die automatische Einstellung des Trimmwinkels die selbsttätige Betriebsart und schaltet in eine Standby-Betriebsart. Die Einstellung des Trimmwinkels muss nun manuell vorgenommen werden, da aufgrund der Schräglage des Wasserfahrzeugs in der Kurvenfahrt ab dem ersten Grenzsteuerwinkel der kurvenäußeren Propeller nicht mehr im Wasser läuft und die automatische Einstellung des Trimmwinkels die Drehzahlabweichung nicht

mehr ausregeln kann. Die Standby-Betriebsart bleibt so lange bestehen, bis ein zweiter Grenzsteuerwinkel wieder unterschritten wird und damit die elektronische Steuerungseinheit die selbsttätige Einstellung des Trimmwinkels wieder aktiviert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der zu überschreitende erste Grenzsteuerwinkel größer ist als der zu unterschreitende zweite Grenzsteuerwinkel. Durch die Hysterese wird ein häufiges Umschalten zwischen automatischer Einstellung des Trimmwinkels und Standby-Betriebsart bei Steuerwinkeln im Bereich des ersten Grenzsteuerwinkels vermieden.

Schließlich wird als vorteilhaft beurteilt, dass sowohl die Grenzsteuerwinkel als auch der maximal einstellbare Steuerwinkel abhängig von der Geschwindigkeit bzw. der Drehzahl sind und aus einer in der elektronischen Steuerungseinheit abgelegten Wertetabelle oder Kennlinie ermittelt oder nach einer mathematischen Funktion errechnet werden.

Bevorzugt sind die Fahrbereiche jeweils durch eine obere und untere Drehzahlgrenze oder durch eine obere und untere Geschwindigkeitsgrenze des Wasserfahrzeugs definiert, wobei sich die Drehzahl auf die eines Motors, eines Antriebsstrangs oder einer Propellerwelle bezieht.

Außerdem kann gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass der maximal einstellbare Steuerwinkel in einem ersten Fahrbereich, der von einer ersten Drehzahlgrenze bis zu einer zweiten Drehzahlgrenze reicht, noch nicht reduziert ist und mit zunehmender Geschwindigkeit in weiteren Fahrbereichen linear abnimmt.

Es ist in einer Variante möglich, dass der maximal einstellbare Steuerwinkel in einem ersten Fahrbereich, der von einer ersten Drehzahlgrenze bis zu einer zweiten Drehzahlgrenze reicht, noch maximal ist und in jedem der mit steigender Geschwindigkeit folgenden Fahrbereiche, in welchen jeweils die selbsttätige Einstellung des Trimmwinkels nach einer anderen Betriebsart erfolgt, der maximal einstellbare Steuerwinkel in jedem Fahrbereich konstant bleibt und sich beim übergang zum nächst schnelleren Fahrbereich verringert. Hierdurch entsteht über den gesamten Betriebsbereich mit steigender Drehzahl bzw. Geschwindigkeit eine treppenförmige Abnahme des maximal einstellbaren Steuerwinkels.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 : eine schematische Darstellung der Seitenansicht eines

Wasserfahrzeugs mit einem Oberflächenantrieb,

Fig. 2: eine schematische Darstellung der Draufsicht auf ein Wasserfahrzeug mit einem Oberflächenantrieb,

Fig. 3: ein Diagramm mit dem Verlauf des Trimmwinkels über der

Drehzahl und

Fig. 4: ein Ablaufdiagramm der Schaltvorgänge im Fahrbereich

S4.

Fig. 1 und 2 zeigen ein Wasserfahrzeug 100 mit Oberflächenantrieb. Die Antriebseinheit 140 des Oberflächenantriebs ist heckseitig am Rumpf 101 des Wasserfahrzeugs 100 angeordnet und mit dem Heckspiegel 104 verbunden. Die Antriebseinheit 140 besteht aus dem Schubrohr 105 mit der Propellerwelle

106 und dem Propeller 107 sowie der Steueraktuatorik 108, 109 und der Trim- maktuatorik 1 10. In dem Schubrohr 105 ist mittig die Propellerwelle 106, an deren heckseitigem Ende der Propeller 107 befestigt ist, drehbar gelagert. In dem Gelenkpunkt 1 1 1 ist das Schubrohr 105 mit dem Heckspiegel 104 und die Propellerwelle 106 mit dem Antriebsstrang 125, der vom Motor 102 ausgeht, verbunden und schwenkbar gelagert. Der Antriebsstrang 125 beinhaltet ein Getriebe 103. Die Drehzahl n wird beispielsweise von einem Drehzahlsensor 123 an einer Schlitzscheibe 124 gemessen, dessen Signal von der elektronischen Steuerungseinheit 130 erfasst wird. Die Schwenkbewegung in horizontaler Ebene, auch als Steuerbewegung bezeichnet, wird ausgehend von einem Steuer 133 über die elektronische Steuerungseinheit 130 und die zentrale Hydraulikeinheit 132, die von der elektronischen Steuerungseinheit 130 angesteuert wird, von der aus zwei hydraulisch betätigten Zylindern 108 und 109 bestehenden Steueraktuatorik bewirkt. Die Schwenkbewegung in vertikaler Ebene, auch als Trimmbewegung bezeichnet, wird ausgehend von einem Bedienpult 131 über die elektronische Steuerungseinheit 130 und die zentrale Hydraulikeinheit 132 mittels der aus dem hydraulisch betätigten Trimmzylinder 1 10 und einem Hubsensor 1 12 bestehenden Trimmaktuatorik bewirkt. Die Steuerbewegung erfolgt innerhalb eines maximal einstellbaren Steuerwinkels σ_L, gemessen von der Längsachse der horizontalen Ebene 190 aus, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist. Das Maß für die Steuerbewegung der Antriebseinheit 140 ist der Steuerwinkel σ, der von der Längsachse 190 aus als neutraler Steuerwinkel σ_0 = 0° aus gemessen wird. Das Maß für die Trimmbewegung der Antriebs- einheit 140 ist der Trimmwinkel τ. Die Trimmbewegung erfolgt innerhalb eines als Trimmbereich τ_G bezeichneten, durch eine obere Trimmgrenze τ_P und eine untere Trimmgrenze τ_N begrenzten, Winkels. Die neutrale Trimmlage τ_0, welche mit τ_0 = 0° definiert ist, ist in der Seitenansicht durch die Senkrechte auf den Heckspiegel 104 gegeben.

Das Diagramm in Fig. 3 zeigt ein Beispiel für den Verlauf des maximal einstellbaren Steuerwinkels σ_L über der Drehzahl n, bzw. über der sich pro-

portional zur Drehzahl n verhaltenden Geschwindigkeit v. Auf der Ordinate des Diagramms ist der Steuerwinkel σ aufgetragen, die durchgezogene Linie gibt den Verlauf des maximal einstellbaren Steuerwinkels σ_L über der Drehzahl n bzw. der Geschwindigkeit v wieder. Der Steuerwinkel σ_L kann von der Drehzahl n_0 = 0 1/min, bzw. dem Stillstand des Wasserfahrzeugs, bis zu einer Drehzahlgrenze n_12 am Ende des Langsamfahrt-Bereich S1 bis auf seinen, gestrichelt dargestellten, linken oder rechten Höchstwert σ_L,max,L und σ_L,max,R verstellt werden. Ab der Drehzahlgrenze n_12, bzw. dem Beginn eines Fahrbereichs S2 wird der maximal einstellbare Steuerwinkel σ_L gemäß einer in der elektronischen Steuerungseinheit 130 abgelegten Funktion bzw. einer Wertetabelle oder Kennlinie, innerhalb derer Werte interpoliert werden können, reduziert. Eine überschreitung des maximal einstellbaren Steuerwinkels σ_L ist auch bei abgeschalteter automatischer Einstellung des Trimmwinkels nicht möglich. Im einem ab der Drehzahlgrenze n_34 beginnenden Fahrbereich S4, in dem der maximal einstellbare Steuerwinkel σ_L aufgrund der hohen Geschwindigkeit, bzw. Drehzahl, zur Vermeidung instabiler Fahrzustände am geringsten ist, liegt unterhalb des maximal einstellbaren Steuerwinkels σ_L der Verlauf eines ersten Grenzsteuerwinkels σ_41. Eine überschreitung des ersten Grenzsteuerwinkels σ_41 löst zunächst ein optisches und / oder akustisches Signal für den Schiffsführer aus. Bei weiterer Vergrößerung des Steuerwinkels σ schaltet die elektronische Steuerungseinheit in eine Standby- Betriebsart 300 , in welcher die automatische Regelung des Trimmwinkels τ abgeschaltet und dessen Trimmung wieder so lange manuell vorgenommen werden muss, bis der Steuerwinkel σ so weit verringert wird, dass dieser kleiner als ein zweiter Grenzsteuerwinkel σ_42 ist. Die beiden Grenzsteuerwinkel σ_41 und σ_42 können gleich sein. Um ein ständiges Hin- und Herschalten zu vermeiden, schafft man eine Hysterese und wählt den ersten Grenzsteuerwinkel σ_41 für die überschreitung größer wie den zweiten Grenzsteuerwinkel σ_42, bei dessen Unterschreitung die automatische Regelung des Trimmwinkels τ im Fahrbereich S4 wieder aktiv wird. Im beschriebenen Beispiel sind die Grenzsteuerwinkel σ_41 und σ_42 im Fahrbereich S4 konstant, ebenso der maximal

mögliche Steuerwinkel σ_L. Allerdings ist für beide Größen jeder beliebige Verlauf in Abhängigkeit von Drehzahl n oder Geschwindigkeit denkbar, da sowohl der maximal mögliche Steuerwinkel σ_L als auch der erste und zweite Grenzsteuerwinkel σ_41 und σ_42 nach einer in der elektronischen Steuerungseinheit 130 abgelegten Wertetabelle oder Kennlinie, oder einer mathematischen Funktion, gesteuert werden. Die Kennlinien, Wertetabellen oder Funktionen wurden beispielsweise anhand von Versuchen aufgestellt, in welchen z.B. im Falle des Grenzsteuerwinkels σ_41 ermittelt wurde, ab welchem Steuerwinkel σ bei einer konstanten Geschwindigkeit v der kurvenäußere Propeller nicht mehr im Wasser lief. Die Grenzsteuerwinkel σ_41 und σ_42 sind wie in dem Diagramm dargestellt für links und rechts gleich, können aber auch theoretisch unterschiedlich sein, falls dies aus Gründen der Geometrie des Wasserfahrzeugs erforderlich ist.

Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm der Schaltvorgänge im Fahrbereich S4. Ausgehend von einer Betätigung des Steuers 133 soll ein gewünschter Steuerwinkel σ eingestellt werden. In der elektronischen Steuerungseinheit 130 wird die aktuelle Drehzahl n mit der Drehzahlgrenze n_34 verglichen und so der Fahrbereich mit der zugehörigen Betriebsweise ermittelt. Ist die Drehzahl n kleiner als die Drehzahlgrenze n_34, wie in einem Schritt 401 verglichen wird, so kann der gewünschte Steuerwinkel σ nur eingestellt werden wenn er bei dem Vergleich in einem Schritt 402 kleiner ist als der der aktuellen Drehzahl n zugehörige maximal einstellbare Steuerwinkel σ_L, ansonsten nimmt der Steuerwinkel σ den Wert des maximal einstellbaren Steuerwinkels σ_L an. In beiden Fällen bleibt die automatische Betriebsart 301 zur Einstellung des Trimmwinkels τ bestehen. Ist die Drehzahl n größer als die Drehzahlgrenze n_34, ist die Betriebsart für den Fahrbereich S4, in welchem das Wasserfahrzeug seine Höchstgeschwindigkeit erreicht, gültig. Ist der gewünschte Steuerwinkel σ in einem Vergleichsschritt 403 kleiner als der Grenzsteuerwinkel σ_41 , bleibt die automatische Betriebsart 301 zur Einstellung des Trimmwinkels τ aktiv. überschreitet der Steuerwinkel σ den ersten Grenzsteuerwinkel σ_41 , schaltet die

elektronische Steuerungseinheit in eine Standby-Betriebsart 300, in welcher der Trimmwinkel τ manuell eingestellt werden muss, da bei einer überschreitung des ersten Grenzsteuerwinkels σ_41 die automatische Einstellung des Trimmwinkels den Drehzahlanstieg des kurvenäußeren Antriebs bei Austritt des kurvenäußeren Propellers aus dem Wasser nicht ausregeln kann. Unterschreitet der Steuerwinkel σ in einem Vergleichsschritt 404 den zweiten Grenzsteuerwinkel σ_42, wird die automatische Einstellung des Trimmwinkels wieder aktiv, andernfalls bleibt die Standby-Betriebsart 300 und damit die manuelle Einstellung bestehen.

Bezuqszeichen

100 Wasserfahrzeug

101 Rumpf

102 Antriebsmotor

103 Getriebe

104 Heckspiegel

105 Schubrohr

106 Propellerwelle

107 Propeller

108 Steuerzylinder rechts

109 Steuerzylinder links

110 Trimmzylinder

11 1 Gelenkpunkt

112 Hubsensor Trimmzylinder

113 Hubsensor Steuerzylinder

123 Drehzahlsensor Propellerwelle

124 Schlitzscheibe

125 Antriebsstrang

130 elektronische Steuerungseinheit

131 Bedienpult

132 zentrale Hydraulikeinheit

133 Steuer

140 Antriebseinheit

190 Längsachse

202 Geschwindigkeitsmesseinrichtung

300 Standby-Betriebsart

S1 Langsamfahrtbereich

S4 Fahrbereich in dem die Höchstgeschwindigkeit erreicht wird

n Drehzahl n_1 1 Anfangsdrehzahl von S1 n_12 zweite Drehzahlgrenze n_34 Drehzahlgrenze nach S4 n_40 Maximale Drehzahl von S4 v Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs v_40 Höchstgeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs σ Steuerwinkel σ_L maximal einstellbarer Steuerwinkel links, rechts, f(n) σ_L,max,L Maximalwert des einstellbaren Steuerwinkels, links σ_L,max,R Maximalwert des einstellbaren Steuerwinkels, rechts σ_0 neutrale Lage des Steuerwinkels σ_41 erster Grenzsteuerwinkel im Fahrbereich S4 σ_42 zweiter Grenzsteuerwinkel im Fahrbereich S4 τ Trimmwinkel τ_P obere Trimmgrenze τ_N untere Trimmgrenze τ_0 mittlere Lage des Trimmwinkels τ G Trimmbereich