EP2193072B1

EP2193072B1 - Verfahren zur steuerung eines oberflächenantriebs für ein wasserfahrzeug

Info

Publication number: EP2193072B1
Application number: EP07847912A
Authority: EP
Inventors: Andrea Chiecchi
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2027-12-06
Also published as: US20110143608A1; EP2193072A1; WO2009046768A1; CN101808894A; ATE519669T1; DE102007048058A1; CN101808894B; US8376791B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Oberflächenantriebs für ein Wasserfahrzeug nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beispielsweise bekannt aus der US 4,544,362 .
Bei schnellen motorgetriebenen Wasserfahrzeugen die mit einem Oberflächenantrieb versehen sind, ist die Propellerwelle um einen Gelenkpunkt mit der vom Motor oder dem Getriebe kommenden Antriebswelle in alle Richtungen schwenkbar. Motor und Getriebe befinden sich im Schiffsrumpf. Bei einer Schwenkung der Propellerwelle in einer senkrechten, parallel zur Längsachse des Wasserfahrzeugs angeordneten Ebene wird die Eintauchtiefe des Propellers und somit die Umsetzung von Antriebsenergie in Schubkraft verändert. Diese Schwenkung der Propellerwelle in der senkrechten Ebene bezeichnet man als Trimmung, das Maß der Schwenkung als Trimmwinkel. Bei höheren Geschwindigkeiten und nur teilweise eingetauchtem Propeller erreicht der Oberflächenantrieb seinen besten Wirkungsgrad. Der optimale Trimmwinkel ist somit abhängig von der Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs und wird bei herkömmlichen Wasserfahrzeugen mit der entsprechenden Ungenauigkeit manuell vorgenommen. Zudem belastet die manuelle Trimmung den Schiffsführer zusätzlich zu seinen anderen Aufgaben, was ebenfalls eine optimale Einstellung des Trimmwinkels erschwert.
In dem Stand der Technik ist eine automatische Trimmsteuerung für einen Oberflächenantrieb beschrieben, welche den Trimmwinkel selbsttätig in Abhängigkeit des jeweiligen Fahrbereichs verstellt. Die Fahrbereiche sind durch die Lage, welche das Wasserfahrzeug bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten im Wasser einnimmt, definiert.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, ein Verfahren zur optimierten selbsttätigen Einstellung des Trimmwinkels eines Oberflächenantriebs für ein Wasserfahrzeug für den jeweiligen Fahrbereich anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Ein Oberflächenantrieb für ein Wasserfahrzeug besteht aus mindestens einer Antriebseinheit, in welcher eine Propellerwelle mit Propeller in einem Schubrohr geführt ist. Das Schubrohr ist in dem Gelenkpunkt am Heck des Wasserfahrzeugs schwenkbar befestigt und die Propellerwelle ist in dem Gelenkpunkt mit der Antriebswelle gelenkig verbunden. Die Antriebswelle wird entweder direkt von einem im Inneren eines Rumpfes des Wasserfahrzeugs angeordneten Motor angetrieben, oder mit einer Ausgangswelle eines dem Motor nachgeschalteten Getriebes. Die Schwenkung des Schubrohres, und damit der Propellerwelle, in einer senkrechten Ebene parallel zur Längsachse des Wasserfahrzeugs bezeichnet man als Trimmung, wobei der Trimmwinkel als Maß für die Schwenkung von einer oberen und unteren Trimmgrenze begrenzt wird. Mit der Trimmbewegung wird die Eintauchtiefe des Propellers eingestellt. Mit einer Schwenkung des Schubrohres in der horizontalen Ebene wird die Fahrtrichtung des Wasserfahrzeugs gesteuert, wobei das Maß für diese Schwenkung der Steuerwinkel ist, welcher sich zwischen einem linken und einem rechten maximalen Steuerwinkel bewegt. Zur Ausführung der Schwenkbewegungen in den beiden Ebenen wird das Schubrohr von einer Trimm- und einer Steueraktuatorik betätigt, wobei diese wiederum von einer elektronischen Steuerungseinheit angesteuert wird. Der Oberflächenantrieb wird in mindestens zwei unterschiedlichen Fahrbereichen so betrieben, dass die Verstellung des Trimmwinkels in mindestens einem Fahrbereich selbsttätig in einem geschlossenen Regelkreis unter Erfassung vorgegebener Regelparameter geregelt wird. In mindestens einem anderen Fahrbereich wird der Trimmwinkel unter Erfassung vorgegebener Steuerungsparameter selbsttätig in einer für diesen Fahrbereich festgelegten Weise gesteuert. Die selbsttätige Veränderung des Trimmwinkels wird nachfolgend als automatische Trimmung bezeichnet, die je nach Fahrbereich unterschiedliche Art und Weise als Trimmmodus.
Die Vorteile einer automatischen Trimmung sind u.a. die Einstellung eines optimalen Trimmwinkels für jede Situation, so dass je nach Anforderung mit dem besten Schub oder dem günstigsten Wirkungsgrad gefahren werden kann sowie die Entlastung des Schiffsführers.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Fahrbereiche sind in einer möglichen Ausführung durch eine obere und eine untere Drehzahlgrenze oder eine mit dieser in proportionalem Zusammenhang stehenden Geschwindigkeitsgrenze, bezogen auf die Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs, definiert. Die Drehzahl- bzw. sind Geschwindigkeitsgrenzen sind in der elektronischen Steuerungseinheit einprogrammiert.
Bei einem Wechsel der Fahrbereiche wechseln in einer vorteilhaften Variante des Verfahrens die betreffenden Trimmmodi automatisch an der jeweiligen Drehzahl- oder Geschwindigkeitsgrenze.
Die in Abhängigkeit von der Drehzahl oder der Geschwindigkeit eingestellten Trimmwinkel werden in einer Variante einer, in der elektronischen Steuerungseinheit abgelegten, Wertetabelle oder Kennlinie entnommen, wobei Zwischenwerte interpoliert werden. Eine andere Variante für mindestens einen Fahrbereich ist die Erfassung der Drehzahl oder der Geschwindigkeit, mit der in der elektronischen Steuerungseinheit mittels einer dort gespeicherten Funktion der jeweilige Trimmwinkel errechnet wird.
Zusätzlich wird eine an einer manuellen Dateneingabe, wie beispielsweise einem Bedienpult, neu eingegebene und gewünschte Drehzahl nur als eine solche erkannt, wenn diese einen Hysteresebereich, der aufgrund von betriebsbedingten Drehzahlschwankungen festgelegt wurde, übersteigt.
Alle Drehzahlen des Antriebes stehen in einer Ausgestaltung der Erfindung, sofern kein Schlupf auftritt, miteinander in proportionalem Verhältnis. Im besonderen Falle des Einsatzes eines Stufengetriebes in einem Antriebsstrang kann mit einer Erkennung der Übersetzungsstufe die zur Motordrehzahl proportionale Antriebs- oder Propellerdrehzahl berechnet werden.
In einer besonderen Ausführung der Erfindung liegt bei mindestens einem Fahrbereich bei einer beschleunigten Fahrt der Übergang, und damit der Wechsel des Steuermodus, zu einem schnelleren Fahrbereich bei einer höheren Drehzahl- oder Geschwindigkeitsgrenze wie bei einer Verzögerung, wenn der schnellere Fahrbereich wieder in den langsameren übergeht. Die Geschwindigkeit, die einen wichtigen Parameter bei dem Verfahren darstellt, wird aus der Drehzahl der Propellerwelle oder der sich zu dieser proportional verhaltenden Motordrehzahl errechnet oder mittels einer Messeinrichtung erfasst, wobei diese beispielsweise ein Ultraschallsensor, ein Radarsystem, ein Staurohr oder ein satelliten- und / oder funkgestütztes Navigations- oder Positionserkennungssystem sein kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist neben dem mindestens einen gesteuerten Fahrbereich und dem mindestens einen geregelten Fahrbereich ein Langsamfahrt-Bereich für Langsamfahrt wie beispielsweise das Manövrieren vorgesehen. Dieser Langsamfahrtbereich reicht von einer ersten Drehzahlgrenze, die durch die Leerlaufdrehzahl des Motors gegeben ist bis zu einer zweiten Drehzahlgrenze. In diesem Fahrbereich ist die automatische Trimmung passiv was jedoch nicht gleichbedeutend mit einer manuellen Betriebsart ist, denn der Trimmwinkel ist zwar von dem Schiffsführer manuell beliebig veränderbar ohne dass die elektronische Steuerungseinheit in die Trimmaktuatorik eingreift, bei Überschreiten der zweiten Drehzahlgrenze und damit dem Verlassen des Langsamfahrtbereiches wird jedoch von der im Hintergrund laufenden automatischen Trimmung selbsttätig der automatische Steuerungsmodus für den zweiten Fahrbereich aktiviert.
In einer weiteren Ausführung wird der Oberflächenantrieb in vier Fahrbereichen betrieben, wobei mit der Erhöhung der Drehzahl im Langsamfahrt-Bereich ab der zweiten Drehzahlgrenze ein zweiter Fahrbereich, ab einer dritten Drehzahlgrenze ein dritter Fahrbereich und ab einer vierten Drehzahlgrenze ein vierter Fahrbereich folgt. Die automatische Trimmung in dem zweiten und dem dritten Fahrbereich erfolgt gesteuert. In dem vierten Fahrbereich, in welchem der Antrieb eine definierte maximale Drehzahl, bzw. das Wasserfahrzeug seine höchste Geschwindigkeit, erreicht, wird der Trimmwinkel selbsttätig in einem geschlossenen Regelkreis eingestellt.
In einer weiteren Variante variiert der Trimmwinkel innerhalb des Trimmbereichs zwischen einer oberen Trimmgrenze, welche den Winkel des Schubrohres angibt, in welcher der Propeller seine maximal höchste Position erreicht, und einer unteren Trimmgrenze, welche den Winkel des Schubrohres angibt, in welcher der Propeller seine tiefste erreichbare Position annimmt. Dazwischen gibt es eine definierte mittlere Lage, welche nicht der mathematische Mittelwert der Trimmgrenzen sein muss.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird bei dem mit steigender Drehzahl bzw. Geschwindigkeit stattfindenden Übergang von dem Langsamfahrt-Bereich in den zweiten Fahrbereich der Trimmwinkel aus einer beliebigen Lage, welche dieser im vorangegangenen Fahrbereich einnahm, selbsttätig auf die untere Trimmgrenze des Trimmbereiches verstellt.
Darüber hinaus kann beim Übergang vom dritten in den zweiten Fahrbereich bei Verringerung der Drehzahl bzw. Geschwindigkeit ebenso eine Verstellung des Trimmwinkels zur unteren Trimmgrenze hin stattfinden.
Beim Erreichen eines dritten Fahrbereiches aus dem zweiten Fahrbereich heraus wird in einer Variante der Trimmwinkel von der unteren Trimmgrenze in die definierte mittlere Lage gebracht.
Sinkt die Drehzahl, bzw. die Geschwindigkeit und wechselt der vierte Fahrbereich in den dritten Fahrbereich, so verschiebt sich in einer Variante der Trimmwinkel aus der von ihm im vierten Fahrbereich eingeregelten Stellung in die mittlere Lage des dritten Fahrbereichs.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es, insbesondere im dritten Fahrbereich, in welchem das sich das Wasserfahrzeug in einem Gleitzustand befindet, dem Schiffsführer möglich, den Trimmwinkel innerhalb eines in der elektronischen Steuerungseinheit voreingestellten Korrekturbereiches aus der Mittelstellung heraus manuell zu verändern. Hierdurch ist eine Anpassung an äußere Einflüsse wie beispielsweise den Seegang möglich. Die automatische Trimmsteuerung bleibt hierbei ähnlich wie im Langsamfahrt-Bereich im Hintergrund aktiv und wechselt den automatischen Trimmmodus beim Überschreiten einer dritten Drehzahlgrenze selbsttätig.
Wird im dritten Fahrbereich der besagte Korrekturbereich überschritten, so schaltet die automatische Trimmsteuerung bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung in eine erste Standby-Betriebsart und die Verstellung des Trimmwinkels ist nur noch manuell möglich.
Optional ist eine Beendigung der automatischen Betriebsart durch den Schiffsführer möglich, beispielsweise mittels eines Trimm-Schalters.
In einer weiteren Variante ist, um zur automatischen Trimmsteuerung zurückzukehren, ein manuelles Zurücksetzen, beispielsweise mittels eines Reset-Schalters, erforderlich.
Bei dem Übergang vom dritten in den vierten Fahrbereich durch die Erhöhung der Drehzahl bzw. der Geschwindigkeit des Wasserfahrzeuges wird vorteilhafter weise der im dritten Fahrbereich eingestellte Trimmwinkel zunächst beibehalten. Darüber hinaus wechselt bei dem Übergang von dem dritten zum einem vierten Bereich, in welchem das Wasserfahrzeug seine Höchstgeschwindigkeit erreicht und die Motoren unter Volllast stehen, die Betriebsart selbsttätig von einer Steuerung des Trimmwinkels zu einer Regelung des Trimmwinkels in einem geschlossenen Regelkreis. Hierbei wird der Trimmwinkel so verändert, dass eine definierte maximale Drehzahl, bzw. maximale Geschwindigkeit erreicht wird.
In einer besonderen Ausgestaltung sind an einem Wasserfahrzeug mindestens zwei Antriebseinheiten angeordnet. Hierbei wird jede Antriebseinheit von einem eigenen Motor angetrieben.
In einer möglichen Ausführungsform wird in den Fahrbereichen, in welchen der Trimmwinkel gemäß einer einprogrammierten Wertetabelle oder Funktion gesteuert wird, in der elektronischen Steuerungseinheit der Mittelwert der Drehzahlen aller Antriebseinheiten errechnet und dieser Mittelwert als Drehzahlsignal erfasst. Ebenso werden in den gesteuerten Fahrbereichen die Trimmwinkel aller Antriebseinheiten synchron verstellt, das heißt die Trimmwinkel sind alle in Betrag und Richtung gleich.
Im vierten Fahrbereich, in welchem die Antriebsmotoren unter Volllast bei maximaler Motordrehzahl stehen und das Wasserfahrzeug seine Höchstgeschwindigkeit erreicht, werden in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei mehreren Antriebseinheiten die Trimmwinkel der einzelnen Antriebseinheiten unabhängig voneinander in einem geschlossenen Regelkreis geregelt, damit die Drehzahlen der Antriebseinheiten eine definierte Drehzahl erreichen. Vorteilhafterweise sollte dabei die Abweichung zwischen den Drehzahlen mehrerer Antriebseinheiten einen definierten Streubereich nicht überschreiten.
Als Alternative hierzu kann die Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs durch Verändern der Trimmwinkel auf ihren Maximalwert geregelt werden.
In einer weiteren Variante wird von der elektronischen Steuerungseinheit unabhängig von der automatischen Betriebsart der Trimmung der maximal mögliche Steuerwinkel der Antriebseinheit, d.h. die maximal mögliche seitliche Ausschwenkung des Schubrohres zum Steuern des Wasserfahrzeugs, mit steigender Drehzahl, bzw. Geschwindigkeit, verringert. Dies geschieht in einer möglichen Variante nach einer Wertetabelle, in welcher der betreffende Steuerwinkel einer bestimmten Drehzahl zugeordnet ist, oder in einer anderen Ausgestaltung nach einer Funktion der Drehzahl oder der Geschwindigkeit. Durch die Verringerung des maximal einstellbaren Steuerwinkels mit steigender Geschwindigkeit bzw. Drehzahl werden instabile Fahrzustände bei Kurvenfahrt vermieden, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten und den aus großen Steuerwinkeln resultierenden engen Kurvenradien.
Unterhalb des drehzahl- bzw. geschwindigkeitsanhängig veränderlichen maximal einstellbaren Steuerwinkels, der auch bei manueller Trimmung nicht überschritten werden kann, ist in einer Variante im vierten Fahrbereich, in welchem die Höchstgeschwindigkeit erreicht wird, zusätzlich ein erster Grenzsteuerwinkel in der elektronischen Steuerungseinheit gesetzt, bei dessen Überschreitung die elektronische Steuerungseinheit in eine zweite Standby-Betriebsart schaltet und die Trimmung so lange manuell vorgenommen muss, bis ein zweiter Grenzsteuerwinkel wieder unterschritten und damit die automatische Betriebsart wieder aktiviert wird.
Ein weiterer Grund für die Beeinflussung der automatischen Trimmung durch die automatische Begrenzung des Steuerwinkels, insbesondere bei O-berflächenantrieben die aus mindestens zwei Antriebseinheiten bestehen, ist die zunehmende Schräglage des Wasserfahrzeugs bei hoher Geschwindigkeit und einem engem Kurvenradius, der durch eine Vergrößerung des Steuerwinkels erzeugt wird. Ab einer bestimmten Schräglage beispielsweise kann die automatische Trimmung, welche im vierten Fahrbereich den Trimmwinkel in einem geschlossenen Regelkreis regelt, das Schubrohr und damit die Position des Propellers der kurvenäußeren Antriebseinheit nicht weiter nach unten verstellen, so dass der kurvenäußere Propeller aus dem Wasser ragt während der kurveninnere Propeller tief eingetaucht ist. Eine automatische Begrenzung des Steuerwinkels vermeidet in einer Variante diesen Fahrzustand, bzw. erlaubt nach Überschreitung des ersten Grenzsteuerwinkels in der zweiten Standby-Betriebsart die manuelle Korrektur des Trimmwinkels.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens für ein Wasserfahrzeug, das auf beiden Seiten des Heckspiegels jeweils mindestens eine Trimmklappe aufweist, wobei diese am Heckspiegel um eine Parallele zur Querachse des Wasserfahrzeugs um einen Trimmwinkel schwenkbar gelagert sind. Je nach Fahrbereich werden die Trimmklappen in einer dafür vorgesehenen Weise betätigt, wobei die Bewegung der Trimmklappen, wie jene der Antriebseinheit, von der elektronischen Steuerungseinheit gesteuert wird und sich die Trimmklappen beider Seiten in Richtung und Trimmklappenwinkel synchron bewegen. Das bedeutet dass in der automatischen Betriebsart der linke und der rechte Trimmklappenwinkel stets gleich sind. Die Betätigung der Trimmklappen findet über Trimmklappen - Aktuatoren statt, beispielsweise hydraulische Zylinder. Wenn die Trimmklappen bewegt werden, erfolgt dies immer in Richtung des Trimmwinkels der Antriebseinheit.
Die Betätigung der Trimmklappen wird bevorzugt in allen Fahrbereichen automatisch gesteuert, die Verstellung der Trimmklappen im Langsamfahrt-Bereich erfolgt manuell.
In dem zweiten Fahrbereich, in welchem während einer Beschleunigung das Heck des Wasserfahrzeugs angehoben werden muss, um in den Gleitzustand, welcher den dritten Fahrbereich kennzeichnet, zu gelangen, unterstützen in einer weiteren Ausgestaltung die Trimmklappen die Trimmbewegung Antriebseinheit. Die Trimmklappenwinkel nehmen entsprechend des Trimmwinkels der Antriebseinheit ihren unteren Endwert an.
Im dritten Fahrbereich nehmen in einer Variante die Trimmklappenwinkel genau wie der Trimmwinkel der Antriebseinheit eine mittlere Position ein, können aber innerhalb eines voreingestellten Korrekturbereichs manuell in gleicher Richtung verstellt werden. Der Korrekturbereich wird hierbei von einer oberen und einer unteren Trimmklappen-Korrekturgrenze begrenzt.
Bei dem Übergang von dem dritten in den vierten Fahrbereich verharren in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung die Trimmklappenwinkel auf dem letzten Wert, den sie im dritten Fahrbereich eingenommen hatten und werden im Gegensatz zu dem Trimmwinkel der Antriebseinheit nicht geregelt. Im vierten Fahrbereich, in welchem der Trimmwinkel zur Erreichung der maximalen Drehzahl, bzw. der höchsten Geschwindigkeit, in einem geschlossenen Regelkreis geregelt wird, ist es möglich die Trimmklappenwinkel wie im dritten Fahrbereich innerhalb eines voreingestellten Korrekturbereiches manuell zu verstellen.
Bei einer manuellen Korrektur des Trimmklappenwinkels über den voreingestellten Korrekturbereich hinaus schaltet optional die elektronische Steuerungseinheit sowohl im dritten als auch im vierten Fahrbereich in die erste Standby-Betriebsart, in welcher nur noch eine manuelle Veränderung des Trimmwinkels und des Trimmklappenwinkels möglich ist.
Die automatische Trimmklappensteuerung kann in einer Variante manuell, beispielsweise durch die Betätigung eines Trimmklappen-Schalters, ausgeschaltet werden, so dass die Trimmklappen manuell betätigt werden können.
Eine Verstellung des Trimmwinkels der Antriebseinheit, bzw. des Schubrohres mit der in ihm gelagerten Propellerwelle bis an die untere Grenze des Trimmbereichs ist im manuellen Betrieb wie auch in der automatischen Betriebsart, insbesondere im zweiten Fahrbereich, möglich. Hierbei besteht die Möglichkeit einer Kollision mit dem Gewässergrund und damit einer Beschädigung des Propellers bzw. der Propellerwelle sowie des Schubrohres. In einer besonderen Ausgestaltung wird zum Schutz vor einer Kollision mit dem Gewässergrund in mindestens den beiden genannten Fahrbereichen ein erster senkrechter Abstand von einem definierten Fixpunkt am Wasserfahrzeug bis zum Gewässergrund mit einer Messeinrichtung erfasst und in der elektronischen Steuerungseinheit mit einem, aus dem aktuellen Trimmwinkel errechneten, zweiten senkrechten Abstand des tiefsten Punktes des Propellers zu dem Fixpunkt verglichen. Droht bei einer Verstellung des Trimmwinkels nach unten der zweite Abstand, gegebenenfalls zuzüglich einer Sicherheitsreserve, den ersten Abstand, zu übersteigen, wird der Trimmwinkel selbsttätig nach unten begrenzt und die Antriebseinheit bzw. der Propeller kann nicht weiter nach unten bewegt werden.
In einer Variante der vorangegangenen Ausgestaltung wird der Trimmwinkel bei einer Verringerung der Wassertiefe während der Fahrt in einem beliebigen Fahrbereich und einem damit möglichen Übersteigen des zweiten senkrechten Abstandes über den ersten senkrechten Abstand selbsttätig reduziert.
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 eines Wasserfahrzeugs mit einem Oberflächenantrieb
Fig. 3: ein Ablaufdiagramm für das selbsttätige Wechseln des Trimmmodus
Fig. 4: ein Diagramm mit dem Verlauf des Trimmwinkels über der Drehzahl
Fig. 5: ein Diagramm mit dem Verlauf des Trimmklappenwinkels über der Drehzahl und
Fig. 6: eine schematische Darstellung der Messung des senkrechten Abstands zum Gewässergrund bei einem Wasserfahrzeug mit einem Oberflächenantrieb.

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 Trimmaktuatorik 110. In dem Schubrohr 105 ist mittig die Propellerwelle 106, an deren heckseitigem Ende der Propeller 107 befestigt ist, drehbar gelagert. In dem Gelenkpunkt 111 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 von der aus zwei hydraulisch betätigten Zylindern 108 und 109 bestehenden Steueraktuatorik bewirkt. Die Schwenkbewegung in vertikaler Ebene, auch als Trimmbewegung bezeichnet, wird von der, aus dem hydraulisch betätigten Trimmzylinder 110 bestehenden, Trimmaktuatorik bewirkt. Beide Bewegungen werden von der elektronischen Steuerungseinheit 130 ausgelöst, welche die Steuer- und Trimmaktuatorik über eine zentrale Hydraulikeinheit 132 ansteuert. 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 Antriebseinheit 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. Zusätzlich sind zur Trimmung des Wasserfahrzeugs 100 rechts und links am Heckspiegel 104 zwei Trimmklappen 114 und 115 angebracht, die von jeweils einem Trimmklappenzylinder 116 und 117 betätigt werden. Die Ansteuerung der Trimmklappenzylinder 116 und 117 erfolgt ebenfalls von der elektronischen Steuerungseinheit 130 aus über die zentrale Hydraulikeinheit 132. Die Trimmklappen 114 und 115 werden in der automatischen Betriebsart synchron miteinander verstellt, so dass die Trimmklappenwinkel rechts und links immer gleich sind und mit dem gemeinsamen Trimmklappenwinkel γ bezeichnet werden. Hierbei ist die Bewegung der Trimmklappen 114 und 115 von einem oberen Trimmklappen-Grenzwinkel γ_P und einem unteren Trimmklappen-Grenzwinkel γ_N begrenzt. Dazwischen befindet sich die neutrale Lage γ_0, welche wie beim Trimmwinkel τ durch die Senkrechte zum Heckspiegel 104 gegeben ist. Die Trimmklappenbewegung wird mit jeweils einem in den Trimmklappenzylindern 116 und 117 angeordneten Wegsensor 120 und 121 gemessen und in der elektronischen Steuerungseinheit 130 erfasst, bzw. wie alle gemessenen Größen auf dem Bedienpult 131 angezeigt.
In Fig. 3 ist anhand eines Ablaufdiagramms der selbsttätige Wechsel des Trimmmodus in Abhängigkeit von der als Maß für die Geschwindigkeit dienenden Drehzahl n, und damit der Fahrbereiche, dargestellt. Alle Drehzahlen des Antriebsstrangs 125 stehen augrund der festen Übersetzungsstufe des Getriebes 103 in einem proportionalen Verhältnis zueinander, so dass unter Berücksichtigung der Messstelle Motor, Getriebe oder Propellerwelle in der elektronischen Steuerungseinheit 130 die Drehzahl n erfasst wird. Als Drehzahlmesseinrichtung wird beispielsweise ein Drehzahlsensor 123 mit einer Schlitzscheibe 124 oder die Information aus einer Motorsteuerung verwendet. In dem Langsamfahrt-Bereich S1 steigert sich bei beschleunigter Fahrt die Drehzahl n von der durch die Leerlaufdrehzahl des Motors gegeben Anfangsdrehzahl n_11. Im Langsamfahrt-Bereich S1 wird das Wasserfahrzeug beispielsweise manövriert, wie dies bei An- und Ablegemanövern erforderlich ist. In der elektronischen Steuerungseinheit 130 wird die aktuelle Drehzahl n mit einer in die elektronischen Steuerungseinheit 130 einprogrammierten Drehzahlgrenze n_12 aus einer gespeicherten Wertetabelle oder Kurvenfunktion verglichen. Ist der Wert der aktuellen Drehzahl n größer als jener der Drehzahlgrenze n_12, so wechselt die automatische Trimmsteuerung in einen zweiten Fahrbereich S2 und der aktuelle, für den Fahrbereich S2 in der Wertetabelle zugeordnete Trimmwinkel τ wird ermittelt. Dieser verlässt dann als Ausgangssignal die elektronische Steuerungseinheit 130 zur zentralen Hydraulikeinheit 132, welche die aus dem Trimmzylinder 110 und dessen Hubsensor 112 bestehende Trimmaktuatorik 180 betätigt und die Antriebseinheit 140 auf den erforderlichen Trimmwinkel τ verstellt. Der zweite Fahrbereich S2 ist bei einer beschleunigten Fahrt nur ein vorübergehender Fahrbereich, in welchem die Trimmung den Übergang in einen dritten Fahrbereich S3 ermöglicht. Sinkt die Drehzahl im Fahrbereich S2 wieder unterhalb von n_12, so kehrt die automatische Trimmsteuerung in den Langsamfahrt-Bereich S1 zurück. Bei einer Drehzahlsteigerung im Fahrbereich S2 und einer Überschreitung einer Drehzahlgrenze n_23 wird in der elektronischen Steuerungseinheit 130 die Betriebsart für den dritten Fahrbereich S3 aktiviert. S3 ist der Hauptfahrbereich des Wasserfahrzeugs mit Oberflächenantrieb, wobei hier auch beispielsweise der höchste Wirkungsgrad des Motors 102 oder des Propellers 104 erreicht wird. Wird im Fahrbereich S3 die Drehzahl n wieder reduziert und sinkt unter eine Drehzahlgrenze n_32, welche geringer ist als n_23, kehrt die automatische Trimmung in den Modus für den Fahrbereich S2 zurück. Wird bei einer weiteren Beschleunigung im Fahrbereich S3 eine Drehzahlgrenze n_34 überschritten, so wird in der elektronischen Steuerungseinheit 130 der Modus für den vierten Fahrbereich S4 aktiviert. S4 ist der Fahrbereich, in welchem der Motor unter Volllast seine maximale Drehzahl n_40 und das Wasserfahrzeug 100 seine Höchstgeschwindigkeit erreicht. Sinkt die Drehzahl n unter n_34, wird der Trimmwinkel τ nach dem Modus für den dritten Fahrbereich S3 eingestellt.
Das Diagramm in Fig. 4 zeigt den Verlauf des Trimmwinkels τ über der Drehzahl n, bzw. über der sich proportional zur Drehzahl n verhaltenden Geschwindigkeit v. In dem Langsamfahrt-Bereich S1, der ab der Leerlaufdrehzahl n_11 beginnt, ist der Trimmwinkel τ vom Schiffsführer zwischen einer oberen Trimmgrenze τ_P und einer unteren Trimmgrenze τ_N frei wählbar, wie die alternativen Trimmwinkel in Punkt A oder Punkt A' zeigen. Die automatische Trimmung ist in diesem Fahrbereich passiv, d.h. der Trimmwinkel τ wird nicht selbsttätig gesteuert oder geregelt, was jedoch nicht gleichbedeutend mit einer manuellen Betriebsart ist, denn die elektronische Steuerungseinheit 130 erfasst im Hintergrund die Drehzahl n bzw. die Geschwindigkeit v und aktiviert bei dem Überschreiten der Drehzahlgrenze n_12, welche den Langsamfahrt-Bereich S1 nach oben begrenzt, die selbsttätige, gesteuerte Einstellung des Trimmwinkels τ für den zweiten Fahrbereich S2, indem die gemessene Drehzahl n in der elektronischen Steuerungseinheit 130 erfasst und anschließend aus einer gespeicherten Wertetabelle der zugehörige Trimmwinkel τ ermittelt wird. In dem nur als Übergangsbereich zwischen dem Langsamfahrt-Bereich S1 und einem dritten Fahrbereich S3 dienenden zweiten Fahrbereich S2, der in die durch den dritten Fahrbereich S3 beschriebene Gleitphase mündet, ist zum heckseitigen Anheben des Wasserfahrzeugs 100 eine Verstellung des Trimmwinkels τ an die untere Trimmgrenze τ_N erforderlich, welche in Punkt C erreicht wird. Die Verstellung kann aufgrund der begrenzten Dynamik nicht sprungartig sondern nur mit einem zeitlichen Gradienten erfolgen, wodurch ausgehend von Punkt B der Trimmwinkel τ mit endlicher Verstellgeschwindigkeit mit einem maximalen Gradienten auf den Wert der unteren Trimmgrenze τ_N fällt. Dort bleibt die Antriebseinheit 140 bei zunehmender Fahrt, bis in der elektronischen Steuerungseinheit 130 die Annäherung an den dritten Fahrbereich S3 unter Berücksichtigung des Gradienten berechnet wird. Im Punkt D beginnt die Verstellung des Trimmwinkels τ derart, dass beim Überschreiten der Drehzahlgrenze n_23 die Antriebseinheit 140 die mittlere Lage des Trimmwinkels τ_0, die beispielsweise mit τ_0 =0°definiert wird, erreicht hat. In dem dritten Fahrbereich S3, ab Punkt E, in dem das Wasserfahrzeug 100 die überwiegende Zeit betrieben wird, kann der Trimmwinkel τ vom Schiffsführer innerhalb eines Korrekturbereichs τ_30 manuell korrigiert werden, um beispielsweise den Trimmwinkel τ an die Seeverhältnisse anzupassen. Die obere Korrekturgrenze τ_31, die im oberen Bereich liegt und die untere, im negativen Bereich liegende, Korrekturgrenze τ_32 des Korrekturbereiches τ_30 sind in der elektronischen Steuerungseinheit 130 gespeichert. So beträgt der gesamte Trimmbereich τ_G = τ_P - τ_N beispielsweise 15°, wobei die obere Trimmgrenze τ_P bei +7° und die untere Trimmgrenze τ_N bei -8° liegt. Die mittlere Lage des Trimmwinkels von τ_0 = 0° ist durch die Senkrechte auf den Heckspiegel 104 gegeben. Der Korrekturbereich τ_30 erstreckt sich beispielsweise über 4°, die symmetrisch zur mittleren Lage τ_0 = 0° mit τ_31 = +2° für die obere Korrekturgrenze der Trimmung in S3 und -2° für die untere Korrekturgrenze für die Trimmung in S3 τ_32 aufgeteilt sind. Bei rauer See beispielsweise ist der Trimmwinkel τ von dem Schiffsführer in den negativen Bereich in Richtung der unteren Korrekturgrenze τ_32 für die Trimmung im Fahrbereich S3 zu korrigieren (s. Punkt G). Wird bei der manuelle Korrektur des Trimmwinkel τ der Korrekturbereich überschritten (Punkt G'), schaltet die Trimmsteuerung in eine erste Standby-Betriebsart und verlässt die automatische Betriebsart, so dass der Trimmwinkel τ nur noch manuell einstellbar ist. Die elektronische Steuerungseinheit schaltet außerdem bei Alarmbedingungen und Systemfehlern in die erste Standby-Betriebsart. Alarmbedingungen sind beispielweise eine zu hohe Öltemperatur oder ein zu niedriger Ölstand in einer Hydraulikeinheit. Unter Systemfehlern versteht man zum Beispiel eine zu geringe elektrische Versorgungsspannung oder ein Fehler in der CANBUS-Verbindung.
Eine Rückkehr zur automatischen Betriebsart ist nur durch ein manuelles Zurücksetzen, wie beispielsweise die Betätigung eines Reset-Schalters, möglich, wodurch der Trimmwinkel τ wieder die mittlere Lage τ_N = 0° einnimmt. Bei einer Drehzahlabsenkung im dritten Fahrbereich S3 (Linie E - J) tritt die automatische Betriebsart des zweiten Fahrbereichs S2 erst ab einer Drehzahl n_32, welche kleiner ist als die Drehzahl n_23, in Kraft (Linie E-J-K). Durch diese Hysterese wird ein ständiges Wechseln der Betriebsarten im Übergangsbereich vermieden.
Wird bei einer Drehzahlsteigerung in dem dritten Fahrbereich S3 die Grenzgeschwindigkeit n_34 überschritten, verharrt der Trimmwinkel τ zunächst auf dem zuletzt in dem dritten Fahrbereich S3 eingestellten Wert (Punkt F oder H) und wird mit der Aktivierung des Betriebsmodus für den vierten Fahrbereich S4 in einem geschlossenen Regelkreis so verändert, dass eine maximale Drehzahl n_40, bzw. maximale Geschwindigkeit v_max, erreicht wird (Punkt I). Bei einer Anordnung von mehreren Antriebseinheiten 140, die jeweils von einem eigenen Motor 102 über einen eigenen Antriebsstrang 125 angetrieben sind, werden die Trimmwinkel τ unabhängig voneinander verstellt um eine maximale Drehzahl n_40 zu erreichen, wobei die Drehzahlen der einzelnen Antriebseinheiten 140 in der Art geregelt werden, dass sie in einem engen Toleranzbereich von beispielsweise 10 1/min zusammen liegen. Versucht der Führer den Trimmwinkel τ manuell zu verstellen, wird die erste Standby-Betriebsart aktiviert. Neben einer automatischen Einstellung des Trimmwinkels ist zur Vermeidung kritischer Zustände bei der Kurvenfahrt eine selbsttätig zunehmende Begrenzung des maximal einstellbaren Steuerwinkels σ_L = f(n, v) über der Drehzahl n bzw. der Geschwindigkeit v möglich. Auf der Ordinate des Diagramms ist zusätzlich zum Trimmwinkel τ der Steuerwinkel σ aufgetragen, die strichpunktierte Linie gibt einen möglichen Verlauf des maximal einstellbaren Steuerwinkels σ_L über der Drehzahl n bzw. der Geschwindigkeit v wieder. Der maximal einstellbare Steuerwinkel σ_L erreicht in dem Langsamfahrt-Bereich S1 noch seinen Höchstwert und wird ab dem Fahrbereich S2 gemäß einer in der elektronischen Steuerungseinheit abgelegten Funktion oder Wertetabelle, innerhalb der Werte interpoliert werden können, reduziert. Eine Überschreitung des maximal einstellbaren Steuerwinkels σ_L ist auch bei abgeschalteter automatischer Trimmung oder in der ersten Standby-Betriebsart nicht möglich. Im vierten Fahrbereich S4, in dem der maximal einstellbare Steuerwinkel σ_L aufgrund der hohen Drehzahl, bzw. Geschwindigkeit am geringsten ist, liegt unterhalb des maximal einstellbaren Steuerwinkels σ_L ein erster Grenzsteuerwinkel 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 die zweite Standby-Betriebsart , in welchem 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 wieder kleiner als der zweite 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 vierten Fahrbereich S4 wieder aktiv wird. Im beschriebenen Beispiel sind die Grenzsteuerwinkel σ_41 und σ_42 im vierten Fahrbereich S4 aufgrund dessen Kürze konstant, ebenso der maximal mögliche Steuerwinkel σ_L. Allerdings wäre auch ein veränderlicher Verlauf in Abhängigkeit von Drehzahl n oder Geschwindigkeit denkbar.
In Fig. 5 ist ein Diagramm mit dem Verlauf der Trimmklappenwinkel γ_L und γ_R dargestellt, wobei die Ordinate aufgrund der synchronen Verstellung der Trimmklappen in der automatischen Betriebsart mit dem gemeinsamen Trimmklappenwinkel y bezeichnet ist. Der Trimmklappenwinkel kann maximal zwischen einer oberen Trimmklappenwinkel-Begrenzung γ_P und der unteren Trimmgrenze γ_N verändert werden. Auf der Abszisse ist die Drehzahl n, bzw. die in proportionalem Zusammenhang mit der Drehzahl n stehenden Geschwindigkeit v aufgetragen. Ähnlich wie der Trimmwinkel τ in Fig. 4 ist im Langsamfahrt-Bereich S1 (Punkte R - S oder R' - S') ab der Anfangsdrehzahl n_11 der Trimmklappenwinkel γ manuell zwischen der oberen γ_P und der unteren Trimmklappenwinkel-Begrenzung γ_N frei verstellbar. Im Fahrbereich S2, der ab der Drehzahlgrenze n_12 beginnt, wird der Trimmklappenwinkel γ entsprechend dem Trimmwinkel τ von der automatischen Steuerung an die untere Trimmklappenwinkel-Begrenzung γ_N verstellt (S - T, bzw. S' - T'). Im Punkt U beginnt mit der Annäherung an den Fahrbereich S3 ebenfalls analog zum Trimmwinkel τ die Verstellung des Trimmklappenwinkels γ in die mittlere Trimmklappenposition γ_0, welche beispielsweise mit einem Wert von γ_0 = 0° definiert ist und im Punkt V bei der Drehzahlgrenze n_23 erreicht wird. Im gesamten dritten Fahrbereich S3 und dem ab der Drehzahlgrenze n_34 beginnenden vierten Fahrbereich S4 (V - Z) bleibt der Trimmklappenwinkel γ in der mittleren Trimmklappenposition γ_0, wobei allerdings innerhalb eines Korrekturbereichs γ_30 im dritten Fahrbereich S3 und innerhalb eines Korrekturbereichs γ_40 im vierten Fahrbereich S4 eine manuelle Korrektur möglich ist. Eine Überschreitung der oberen Korrekturgrenze γ_31 bzw. γ_41, oder der unteren Korrekturgrenze γ_32 bzw. γ_42 durch die manuelle Verstellung des Trimmklappenwinkels γ im dritten und vierten Fahrbereich S3 und S4 führt in die erste Standby-Betriebsart. Hierdurch wird sowohl im dritten Fahrbereich S3 als auch im vierten Fahrbereich S4 die jeweilige Betriebsweise der automatischen Trimmung beendet und die Verstellung von Trimmwinkel τ und Trimmklappenwinkel γ muss manuell vorgenommen werden. Eine Rückkehr in die automatische Betriebsart ist nur durch ein Zurücksetzen, wie beispielsweise die Betätigung des Reset-Schalters 310, möglich, wodurch sowohl der Trimmklappenwinkel γ als auch der Trimmwinkel τ wieder die mittlere Lage γ_0 = = 0° einnimmt. Die mittlere Trimmklappen- γ_0 und Antriebsposition τ_0 wird jeweils von einer Geraden bestimmt, die senkrecht zum Heckspiegel 104 steht, so dass beide mittleren Lagen von Antrieb (104) und Trimmklappen (114, 115) gleich sind. Unterschiedlich sind hingegen die Endpositionen. So beträgt die obere Trimmklappenwinkel-Grenze γ_P beispielsweise +5° und die untere Trimmklappenwinkel-Grenze γ_N = -15°. Eine manuelle Verstellung des Trimmklappenwinkels γ innerhalb des Korrekturbereiches γ_30 zeigt die Linie entlang der Punkte V - W - X. Beim Übergang vom Fahrbereich S3 zum Fahrbereich S4 bleibt der Wert des Trimmklappenwinkels γ erhalten. Vom Punkt X zum Punkt Y beispielsweise wird im vierten Fahrbereich S4 der untere Trimmklappenwinkels γ reduziert und bleibt bis zum erreichen der Drehzahl n_40 unverändert. Der Trimmklappenwinkel γ wird in den Fahrbereichen S2, S3 und S4 gesteuert, eine Regelung findet nicht statt.
Fig. 6 zeigt eine Abstandsmessung zwischen dem unteren Außendurchmesser 403 des Propellers 107, der die tiefste Stelle der Antriebseinheit 140 darstellt, und einem Gewässergrund 402. Von einem am Rumpf 101 des Wasserfahrzeugs 100 befestigten Abstandssensor 401 wird der senkrechte Abstand 410 von der in diesem Beispiel tiefsten Stelle des Rumpfes 101 zum Gewässergrund 402 gemessen. Der senkrechte Abstand 411 des unteren Außendurchmessers 403 des Propellers 107 zum Mittelpunkt des Gelenks 111 errechnet sich in der elektronischen Steuerungseinheit 130 beispielsweise aus der indirekten Messung des Trimmwinkels τ mit dem in dem Trimmzylinder 110 angeordneten Trimmzylinderhub-Sensor 112. Mit dem bekannten senkrechten Abstand 412 von der Mitte von 111 zur Höhe des Abstandssensors 401, der in der Darstellung an der tiefsten Stelle des Rumpfs 101 angebracht ist, errechnet sich der senkrechte Abstand 413 von der tiefsten Stelle des Rumpfes 101 bis zur tiefsten Stelle des Propellers 107. Wenn der senkrechte Abstand 413 gröβer ist als der senkrechte Abstand 410, kollidiert der Propeller 107 mit dem Gewässergrund 402. Aus diesem Grund werden die senkrechten Abstände 410 und 413 ständig gemessen, bzw. errechnet und in der elektronischen Steuerungseinheit 130 mit einander verglichen. Bei einer Annäherung von 413 an 410 durch die automatische oder manuelle Verstellung des Trimmwinkels τ wird die untere Trimmgrenze τ_N so verschoben, dass eine Kollision mit dem Gewässergrund ausgeschlossen ist. Zusätzlich kann noch ein senkrechter Sicherheitsabstand 414 berücksichtigt werden. Reduziert sich während der Fahrt die Wassertiefe und damit der senkrechte Abstand 410, so wird bei vorausberechneter Kollision des Propellers 107 mit dem Gewässergrund 402 der Trimmwinkel τ in Richtung der oberen Trimmgrenze τ_P verändert.

Bezugszeichen

100: Wasserfahrzeug
101: Rumpf
102: Antriebsmotor
103: Getriebe
104: Heckspiegel
105: Schubrohr
106: Propellerwelle
107: Propeller
108: Steuerzylinder rechts
109: Steuerzylinder links
110: Trimmzylinder
111: Gelenkpunkt
112: Hubsensor Trimmzylinder
113: Hubsensor Steuerzylinder
114: Trimmklappe rechts
115: Trimmklappe links
116: Trimmklappenzylinder rechts
117: Trimmklappenzylinder links
120: Trimmklappensensor rechts
121: Trimmklappensensor links
123: Drehzahlsensor Propellerwelle
124: Schlitzscheibe
125: Antriebsstrang
130: elektronische Steuerungseinheit
131: Bedienpult
132: zentrale Hydraulikeinheit
140: Antriebseinheit
190: Längsachse
200: Propellerdrehzahl
201: Geschwindigkeit
202: Geschwindigkeitsmesseinrichtung
401: Abstandssensor
402: Gewässergrund
403: unterster Punkt des Außendurchmessers von Propeller 107
410: senkrechter Abstand zwischen 401 und 402
411: senkrechter Abstand zwischen 111 und 403
412: senkrechter Abstand zwischen 111 und 401
413: senkrechter Abstand zwischen 401 und 403 (Differenz 411 - 412)
414: senkrechter Sicherheitsabstand zwischen 403 und 402
S1: erster Fahrbereich
S2: zweiter Fahrbereich
S3: dritter Fahrbereich
S4: vierter Fahrbereich
n_11: Anfangsdrehzahl von S1
n_12: Drehzahlgrenze von S1 nach S2
n_23: Drehzahlgrenze von S2 nach S3
n_32: Drehzahlgrenze von S3 nach S2 (bei Verzögerung)
n_34: Drehzahlgrenze von S3 nach S4
n_40: Maximale Drehzahl von S4
v: Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs
γ: Trimmklappenwinkel, gemeinsam
γ_R: Trimmklappenwinkel rechts
γ_L: Trimmklappenwinkellinks
γ_P: oberer Trimmklappen-Grenzwinkel
γ_N: unterer Trimmklappen-Grenzwinkel
γ_0: mittlere Lage des Trimmklappenwinkels
γ_30: Trimmklappen-Korrekturbereich in S3
γ_31: obere Trimmklappen-Korrekturgrenze in S3
γ_32: untere Trimmklappen-Korrekturgrenze in S3
γ_40: Trimmklappen-Korrekturbereich in S4
γ_41: obere Trimmklappen-Korrekturgrenze in S4
γ_42: untere Trimmklappen-Korrekturgrenze in S4
σ: Steuerwinkel
σ_L: maximal einstellbarer Steuerwinkel links, rechts, f(n)
σ_0: neutrale Lage des Steuerwinkels
σ_41: Grenzsteuerwinkel im Fahrbereich S4 (Überschreitung)
σ_42: Grenzsteuerwinkel im Fahrbereich S4 (Unterschreitung)
τ: Trimmwinkel
τ_P: obere Trimmgrenze
τ_N: untere Trimmgrenze
τ_0: mittlere Lage des Trimmwinkels
τ_G: Trimmbereich
τ_30: Korrekturbereich für Trimmung in S3
τ_31: obere Korrekturgrenze für die Trimmung in S3
τ_32: untere Korrekturgrenze für die Trimmung in S3

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Oberflächenantriebs für ein Wasserfahrzeug (100) mit mindestens einer Antriebseinheit (140), welche sich aus einem die Propellerwelle (106) führenden Schubrohr (105) und einer von einer elektronischen Steuerungseinheit (130) angesteuerten Trimm- (180) und Steuer(181)-Aktuatorik zusammensetzt, wobei das Schubrohr (105) um einen am Heckspiegel (104) angebrachten Gelenkpunkt (111) senkrecht innerhalb eines Trimmbereichs (τ_G) um einen Trimmwinkel (τ) und waagerecht innerhalb eines maximalen Steuerwinkels (σ_L) um einen Steuerwinkel (σ) schwenkbar ist und in dem Gelenkpunkt (111) die Propellerwelle (106) mit einem Antriebsstrang (125) gelenkig verbunden ist, und wobei der Oberflächenantrieb in mindestens zwei unterschiedlichen Fahrbereichen betrieben wird dadurch gekennzeichnet, dass in einem automatischen Betriebsmodus die Verstellung des Trimmwinkels (τ) in mindestens einem geregelten Fahrbereich selbsttätig in einem geschlossenen Regelkreis unter Erfassung der Werte vorgegebener Regelparameter geregelt wird und in mindestens einem gesteuerten Fahrbereich unter Erfassung der Werte vorgegebener Steuerungsparameter selbsttätig in einer für diesen Fahrbereich festgelegten Betriebsweise gesteuert wird.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass. die Fahrbereiche jeweils durch eine obere und untere Drehzahlgrenze oder durch eine obere und untere Geschwindigkeitsgrenze des Wasserfahrzeugs (100) definiert sind, wobei sich die Drehzahl (n) auf die eines Motors (102), des Antriebsstrangs (125) oder der Propellerwelle (106) bezieht.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wechsel der Fahrbereiche die jeweilige Betriebsweise selbsttätig wechselt.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem gesteuerten Fahrbereich der in Abhängigkeit von einer Drehzahl (n) oder einer Geschwindigkeit (v) einzustellende Trimmwinkel (τ) einer, in der elektronischen Steuerungseinheit (130) abgelegten, Wertetabelle entnommen wird, wobei Zwischenwerte interpoliert werden, oder der Trimmwinkel (τ) aus einer gespeicherten Funktion errechnet wird.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einem Fahrbereich der Wechsel zu einem schnelleren Fahrbereich bei einer beschleunigten Fahrt bei einer höheren Drehzahl- oder Geschwindigkeitsgrenze liegt als bei einer verzögerten Fahrt, wenn der schnellere Fahrbereich in den langsameren wechselt.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem mindestens einen gesteuerten Fahrbereich und dem mindestens einen geregelten Fahrbereich, ab einer ersten Drehzahlgrenze (n_11) ein Langsamfahrt-Bereich (S1) für Langsamfahrt vorgesehen ist, in dem die automatische Trimmung passiv ist, so dass der Trimmwinkel (τ) manuell vom Bootsführer innerhalb des Trimmbereichs (τ_G) beliebig eingestellt wird, und dass die automatische Trimmung erst beim Verlassen des Langsamfahrt-Bereichs (S1) aktiv wird.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenantrieb in vier Fahrbereichen betrieben wird, wobei mit der Erhöhung der Drehzahl (n) im Langsamfahrt-Bereich (S1) ab einer zweiten Drehzahlgrenze (n_12) ein zweiter Fahrbereich (S2), ab einer dritten Drehzahlgrenze (n_23) ein dritter Fahrbereich (S3) und ab einer vierten Drehzahlgrenze (n_34) ein vierter Fahrbereich (S4) folgt, wobei die automatische Trimmung in dem zweiten Fahrbereich (S2) und dem dritten Fahrbereich (S3) gesteuert und in dem vierten Fahrbereich (S4), in welchem eine maximale Drehzahl (n_40) oder eine höchste Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs (v_40) erreicht wird, in einer Regelung erfolgt.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Fahrbereich (S2) der Trimmwinkel (τ) selbsttätig auf eine untere Trimmgrenze (τ_N) des Trimmbereichs (τ_G) verstellt wird.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem dritten Fahrbereich (S3) der Trimmwinkel (τ) selbsttätig eine mittlere Lage (τ_0) einnimmt.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach Anspruch 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass im dritten Fahrbereich (S3) innerhalb eines in der elektronischen Steuerungseinheit (130) definierten Korrekturbereiches (τ_30) der Bootsführer den Trimmwinkel (τ) zu dessen Anpassung an die Verhältnisse an der Wasseroberfläche manuell verändern kann, wobei die automatische Betriebsart aktiv bleibt.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im dritten Fahrbereich (S3) bei Überschreiten einer oberen (τ_31) oder Unterschreiten einer unteren (τ_32) Korrekturgrenze für die Trimmung die elektronische Steuerungseinheit (130) in eine erste Standby-Betriebsart schaltet und die automatische Betriebsart beendet, so dass der Schiffsführer den Trimmwinkel (τ) des Oberflächenantriebs nur noch manuell verändern kann.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der ersten Standby-Betriebsart nur durch ein manuelles Zurücksetzen in die automatische Betriebsart zurückgekehrt werden kann.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im vierten Fahrbereich (S4) der Trimmwinkel (τ) selbsttätig in einem geschlossenen Regelkreis geregelt wird, um die definierte maximale Drehzahl (n_40) oder die maximale Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs (v_40) zu erreichen.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche mit mindestens zwei Antriebseinheiten (140), dadurch gekennzeichnet, dass im Langsamfahrt-Bereich (S1), dem zweiten (S2) und dem dritten Fahrbereich (S3), die Trimmwinkel (τ) der einzelnen Antriebseinheiten (140) synchron bewegt werden und der Mittelwert der Drehzahlen der einzelnen Antriebseinheiten (140) als Drehzahlsignal dient.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im vierten Fahrbereich (S4) die Trimmwinkel (τ) der einzelnen Antriebseinheiten (140) selbsttätig in einem geschlossenen Regelkreis unabhängig voneinander so geregelt werden, dass jede Antriebseinheit (140) für sich die definierte maximale Drehzahl (n_40) erreicht und / oder dass die maximale Geschwindigkeit (v_40) des Wasserfahrzeugs (100) erreicht wird.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unabhängig von der automatischen Trimmung ein maximal möglicher Steuerwinkel (σ_L) als Funktion der Drehzahl (n) oder der Geschwindigkeit (v) mit steigender Drehzahl (n) kleiner wird, um aus Sicherheitsgründen instabile Fahrzustände bei hohen Geschwindigkeiten (v) und großen Steuerwinkeln (σ) zu vermeiden.
Verfahren zum Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im vierten Fahrbereich (S4) bei Überschreitung eines in der elektronischen Steuerungseinheit (130) definierten ersten Grenzsteuerwinkels (σ_41), welcher kleiner ist als der bei dieser Drehzahl (n) oder Geschwindigkeit (v) maximal mögliche Steuerwinkel (σ_L), die Trimmung ihre automatische Betriebsart verlässt und in eine zweite Standby-Betriebsart schaltet, in welcher die Einstellung des Trimmwinkels (τ) manuell vorgenommen werden muss, bis der Grenzsteuerwinkel (σ_41) wieder unterschritten und die zweite Standby-Betriebsart verlassen wird, wodurch die automatische Regelung des Trimmwinkels (τ) wieder wirksam ist.
Verfahren zum Steuern eines Wasserfahrzeugs nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Grenzsteuerwinkel (σ_41) bei der Überschreitung größer ist als ein zweiter Grenzsteuerwinkel (σ_42) bei der Unterschreitung.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, welches auf der linken und rechten Seite des Heckspiegels (104) mindestens jeweils eine Trimmklappe (114, 115) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterstützung der Antriebseinheit (140) beide Trimmklappen (114, 115) in der automatischen Betriebsart synchron um einen gleichen Trimmklappenwinkel (γ) innerhalb eines oberen Trimmklappen-Grenzwinkels (γ_P) und eines unteren Trimmklappen-Grenzwinkels (γ_N) verstellt werden.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Fahrbereich (S2) die Trimmklappen (114, 115) ähnlich der Antriebseinheit (140) an ihren unteren Trimmklappen-Grenzwinkel (γ_N) gesteuert verstellt werden.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im dritten Fahrbereich (S3) die Trimmklappen (114, 115) analog zur Antriebseinheit (140) in ihre mittlere Lage (γ_0) gesteuert verstellt werden.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im dritten Fahrbereich (S3) eine manuelle Korrektur des Trimmklappenwinkels (γ) ähnlich der des Trimmwinkels (τ) der Antriebseinheit (140), in dem voreingestellten Trimmklappen-Korrekturbereich (γ_30) in gleicher Richtung wie die Korrektur des Trimmwinkels (τ) möglich ist, und dass eine Überschreitung einer oberen Trimmklappen-Korrekturgrenze (γ_31) oder eine Unterschreitung einer unteren Trimmklappen-Korrekturgrenze (γ_32) eine Schaltung in die erste Standby-Betriebsart bewirkt.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach mindestens einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Übergang von dem dritten Fahrbereich (S3) in den vierten Fahrbereich (S4) der Trimmklappenwinkel (γ) bei dem letzten Wert, den dieser im dritten Fahrbereich (S3) annahm, verharrt, und im vierten Fahrbereich (S4) innerhalb eines voreingestellten Trimmklappen-Korrekturbereiches (γ_40), welcher von einer oberen (γ_41) und einer unteren Trimmklappen - Korrekturgrenze (γ_42) begrenzt wird, manuell verstellbar ist, wobei bei einem Verlassen des Trimmklappen-Korrekturbereiches (γ_40) die elektronische Steuerungseinheit (130) in die erste Standby-Betriebsart schaltet und damit die automatische Regelung des Trimmwinkels (τ) außer Kraft setzt.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Absenkung des Schubrohres (105) und der dadurch möglichen Kollision mit einem Gewässergrund (402) zum Schutz des Propellers (107) ein erster senkrechter Abstand (410) von einem an dem Wasserfahrzeug (100) angeordneten Abstandssensor (401) aus bis zum Gewässergrund (402) mittels des Abstandssensors (401) gemessen wird, und in der elektronischen Steuerungseinheit (130) mit einem zweiten senkrechten Abstand (413), gemessen von dem tiefsten Punkt (403) der Antriebseinheit am Außendurchmesser des Propellers (107), dessen Position sich aus dem beabsichtigten Trimmwinkel (τ) errechnet, bis zur vertikalen Position des Abstandssensors (401), verglichen wird, wobei bei einer möglichen Überschreitung des ersten senkrechten Abstandes (410) durch die gewünschte nach unten gerichtete Auslenkung (413) der Antriebseinheit, die untere Trimmgrenze (τ_N), welche den Trimmwinkel (τ) nach unten begrenzt, entsprechend nach oben verschoben wird.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebs für ein Wasserfahrzeug nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vorausberechneten Kollision der Antriebseinheit (140) mit dem Gewässergrund (402) während der Fahrt der Betrag des Trimmwinkels (τ) selbsttätig in Richtung der oberen Trimmgrenze (τ_P) reduziert wird.