WO2009046770A1 - Verfahren zum steuern eines wasserfahrzeugs mit einem oberflächenantrieb - Google Patents

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WO2009046770A1
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Andrea Chiecci
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H5/00—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water
    • B63H5/07—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers
    • B63H5/125—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers movably mounted with respect to hull, e.g. adjustable in direction, e.g. podded azimuthing thrusters
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/08—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw
    • G05D1/0875—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted to water vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H20/00—Outboard propulsion units, e.g. outboard motors or Z-drives; Arrangements thereof on vessels
    • B63H20/08—Means enabling movement of the position of the propulsion element, e.g. for trim, tilt or steering; Control of trim or tilt
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/02—Propulsive elements directly acting on water of rotary type
    • B63H1/12—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially in propulsive direction
    • B63H1/14—Propellers
    • B63H1/18—Propellers with means for diminishing cavitation, e.g. supercavitation
    • B63H2001/185—Surfacing propellers, i.e. propellers specially adapted for operation at the water surface, with blades incompletely submerged, or piercing the water surface from above in the course of each revolution

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a watercraft with a surface drive according to the preamble of claim 1.
  • the hull In fast motorized watercraft, especially those with a surface drive, the hull is at higher speeds in the sliding state and is only a small part of the rear side in the water.
  • the contact point moves with the water on the side surface of the underside of the hull whereby the force application ratios of the driving resistance on the hull change and create a moment. From a critical steering angle and the resulting tight curve radius, the resulting momentum is so high above a certain speed that the vessel is turned out of its orbit and can capsize.
  • the surface drive of a watercraft consists of at least one drive unit whose thrust force is changed in direction by a control device consisting essentially of a propeller shaft leading a thrust pipe and a control and Trimmaktuatorik.
  • the torque tube is pivotally connected via a pivot point to the stern of the watercraft and the drive shaft, which comes directly from the engine or from a downstream of the engine transmission.
  • the torque tube is moved by the trim actuator in a vertical and, in order to cause a change of direction of the vessel, the control actuator in a horizontal pivot plane.
  • the maximum freedom of movement in the two levels is described by a maximum adjustable control angle and a trim range.
  • the measure for the respective pivoting is the control angle and the trim angle.
  • the control of the control and Trimmaktuatorik via an electronic control unit, in which electronically received by the skipper desired control angle signal.
  • the adjustment of the trim angle can be done either speed-dependent or speed-dependent in an automatic mode.
  • the speed of the vessel and the control angle are detected in the electronic control unit and, depending on this, automatically set a reduced maximum adjustable control angle. If the speed is reduced, the control range is again increased accordingly.
  • US 6843195 B2 describes a control system for an outboard motor, in which the quotient "realized steering angle / steering wheel input steering angle" decreases with increasing speed, so that with increasing speed rotation on the steering wheel on the outboard drive causes a smaller change in the control angle as at low Speeds.
  • a method for limiting the maximum adjustable control angle as a function of the speed or the speed is disclosed.
  • Both systems relate only to outboard engines whose propeller and control arrangement deviates greatly from that of a surface drive.
  • the object underlying the invention is to provide a method for controlling a surface drive with at least two drive units for cornering in the upper speed range.
  • a drive for effecting a change of direction of the watercraft is pivotable about a control angle.
  • the control angle can only be changed up to a maximum adjustable control angle, which is automatically reduced in a predetermined course with increasing speed.
  • the drive as a surface drive, this is operated in at least two driving ranges and consists of at least two drive units, which are adjusted in the vertical direction in a presettable automatic mode by a trim angle.
  • the first limit control angle to be exceeded is greater than the second limit control angle to be exceeded.
  • Hysteresis avoids frequent switching between automatic adjustment of the trim angle and standby mode at control angles in the range of the first limit control angle.
  • both the limit control angle and the maximum adjustable control angle are dependent on the speed or the speed and are determined from a stored in the electronic control unit table of values or characteristic or calculated according to a mathematical function.
  • the driving ranges are each defined by an upper and lower speed limit or by an upper and lower speed limit of the vessel, wherein the speed refers to that of a motor, a drive train or a propeller shaft.
  • the maximum adjustable control angle in a first driving range which ranges from a first speed limit to a second speed limit
  • the maximum adjustable control angle in a first driving range is still maximum and in each of the following with increasing speed driving ranges, in each of which the automatic adjustment of the trim angle takes place according to another mode, the maximum adjustable steering angle remains constant in each driving range and decreases in the transition to the next faster driving range. This results in over the entire operating range with increasing speed or speed a stepped decrease in the maximum adjustable control angle.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the side view of a
  • FIG. 2 is a schematic representation of the plan view of a watercraft with a surface drive
  • Figs. 1 and 2 show a watercraft 100 with surface drive.
  • the drive unit 140 of the surface drive is arranged at the rear on the hull 101 of the watercraft 100 and connected to the transom 104.
  • the drive unit 140 consists of the push tube 105 with the propeller shaft 106 and the propeller 107 and the Steueraktuatorik 108, 109 and the trim maktuatorik 1 10.
  • In the torque tube 105 is the center of the propeller shaft 106, at the rear end of the propeller 107 is mounted rotatably mounted.
  • the torque tube 105 with the transom 104 and the propeller shaft 106 with the drive train 125 which emanates from the motor 102, connected and pivotally mounted.
  • the powertrain 125 includes a transmission 103.
  • the speed n is measured, for example, by a speed sensor 123 on a slotted disk 124 whose signal is detected by the electronic control unit 130.
  • the pivoting movement in the horizontal plane also referred to as control movement, is effected by the control unit 130, which is controlled by the electronic control unit 130 and the central hydraulic unit 132, which is controlled by the electronic control unit 130, by the control actuator system consisting of two hydraulically actuated cylinders 108 and 109 ,
  • the pivoting movement in the vertical plane also referred to as trim movement, is effected starting from a control panel 131 via the electronic control unit 130 and the central hydraulic unit 132 by means of the trimming actuator consisting of the hydraulically actuated trimming cylinder 110 and a stroke sensor 112.
  • the control movement takes place within a maximum adjustable control angle ⁇ _L, measured from the longitudinal axis of the horizontal plane 190, as shown in FIG. 2 can be seen.
  • the measure of the trim movement of the drive unit 140 is the trim angle ⁇ .
  • the trim movement takes place within an angle designated as a trim range ⁇ _G and bounded by an upper trim limit ⁇ _P and a lower trim limit ⁇ _N.
  • the diagram in FIG. 3 shows an example of the course of the maximum adjustable control angle ⁇ _L over the rotational speed n, or above which proportional to the speed n behaving speed v.
  • the control angle ⁇ is plotted, the solid line shows the curve of the maximum adjustable control angle ⁇ _L over the speed n and the speed v again.
  • the maximum adjustable control angle ⁇ _L is reduced according to a function stored in the electronic control unit 130 or a table of values or characteristics within which values can be interpolated. Exceeding the maximum adjustable control angle ⁇ _L is not possible even when the automatic adjustment of the trim angle is switched off. In a starting from the speed limit n_34 driving range S4 in which the maximum adjustable control angle ⁇ _L due to the high speed, or speed to avoid unstable driving conditions is lowest, is below the maximum adjustable control angle ⁇ _L the course of a first Grenz Kunststoffbuchs ⁇ _41. Exceeding the first limit control angle ⁇ _41 first triggers an optical and / or acoustic signal for the skipper.
  • the electronic control unit switches to a standby mode 300, in which the automatic control of the trim angle ⁇ is switched off and its trimming must again be performed manually until the control angle ⁇ is reduced so much that it is smaller than a second limit control angle ⁇ _42.
  • the two limit control angles ⁇ _41 and ⁇ _42 can be the same. To avoid a constant back and forth, creates a hysteresis and selects the first limit control angle ⁇ _41 for exceeding the greater than the second Grenz Kunststoffwinkel ⁇ _42, below which the automatic control of the trim angle ⁇ in the driving range S4 is active again.
  • the limit control angles ⁇ _41 and ⁇ _42 in the driving range S4 are constant, as is the maximum possible control angles ⁇ _L.
  • any desired course as a function of rotational speed n or speed is conceivable for both variables since both the maximum possible control angle ⁇ _L and the first and second limiting control angles ⁇ _41 and ⁇ _42 are based on a value table or characteristic curve or mathematical function stored in the electronic control unit 130 , to be controlled.
  • the characteristic curves, value tables or functions were set up for example on the basis of experiments in which, for example, in the case of the limit control angle ⁇ _41, it was determined at which control angle ⁇ at a constant speed v the outboard propeller no longer ran in the water.
  • the limit control angles ⁇ _41 and ⁇ _42 are the same for left and right as shown in the diagram, but may theoretically be different if required for reasons of the geometry of the vessel.
  • FIG. 4 shows a flowchart of the switching operations in the driving range S4.
  • a desired control angle ⁇ is to be set.
  • the current rotational speed n is compared with the rotational speed limit n_34 and thus determines the driving range with the associated operating mode. If the rotational speed n is smaller than the rotational speed limit n_34, as compared in a step 401, then the desired control angle ⁇ can only be set if it is smaller than the maximum controllable steering angle ⁇ _L associated with the actual rotational speed n in the comparison in a step 402 otherwise the control angle ⁇ assumes the value of the maximum adjustable control angle ⁇ _L.
  • the automatic mode 301 remains to adjust the trim angle ⁇ . If the rotational speed n is greater than the rotational speed limit n_34, the operating mode for the driving range S4 in which the vessel reaches its maximum speed is valid. If the desired control angle ⁇ is smaller than the limit control angle ⁇ _41 in a comparison step 403, the automatic operating mode 301 remains active for setting the trim angle ⁇ . If the control angle ⁇ exceeds the first limit control angle ⁇ _41, the electronic control unit into a standby mode 300, in which the trim angle ⁇ must be set manually, since when exceeding the first limit control angle ⁇ _41, the automatic adjustment of the trim angle, the speed increase of the outside drive when exiting the curve outer propeller from the water can not compensate. If the control angle ⁇ falls short of the second limit control angle ⁇ _42 in a comparison step 404, the automatic adjustment of the trim angle becomes active again, otherwise the standby mode 300 and therefore the manual setting remain.

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Abstract

In einem Verfahren zum Steuern eines Wasserfahrzeuges mit einem Antrieb welcher um einen Steuerwinkel schwenkbar ist wird ein maximal einstellbarer Steuerwinkel in einem vorgegebenen Verlauf mit steigender Geschwindigkeit selbsttätig verkleinert. Hierbei ist der Antrieb als Oberflächenantrieb mit mindestens zwei Antriebseinheiten ausgeführt, wobei die Antriebseinheiten in vertikaler Richtung in einer voreinstellbaren automatischen Betriebsart (301) um einen Trimmwinkel verstellt werden. In einem Fahrbereich, in welchem die Höchstgeschwindigkeit erreicht wird, verlässt die Einstellung des Trimmwinkels (t) bei Überschreitung eines ersten Grenzsteuerwinkels (s_41), der kleiner ist als der maximal einstellbare Steuerwinkel (s_L), ihre automatische Betriebsart (301) und geht in eine Standby-Betriebsart (300) in welcher der Trimmwinkel (t) manuell verstellt werden muss, bis ein zweiter Grenzsteuerwinkel (s_42) wieder unterschritten und damit die automatische Betriebsart (301) wieder aktiviert wird.

Description

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

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Steuern eines Wasserfahrzeuges mit einem Antrieb welcher um einen Steuerwinkel schwenkbar ist und ein maximal einstellbarer Steuerwinkel (σ_L) in einem vorgegebenem Verlauf mit steigender Geschwindigkeit selbsttätig verkleinert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb als Oberflächenantrieb mit mindestens zwei Antriebseinheiten (140) ausgeführt ist, welche in vertikaler Richtung in einer voreinstellbaren automatischen Betriebsart (301) um einen Trimmwinkel (τ) verstellt werden, wobei der Oberflächenantrieb in mindestens zwei Fahrbereichen betrieben wird, und wobei in einem Fahrbereich (S4), in welchem die Höchstgeschwindigkeit erreicht wird, bei Überschreitung eines ersten Grenzsteuerwinkels (σ_41), welcher kleiner ist als der maximal einstellbare Steuerwinkel (σ_L), die Einstellung des Trimmwinkels (τ) ihre automatische Betriebsart (301) verlässt und in eine Standby-Bethebsart (300) geht, in welcher die Einstellung des Trimmwinkels (τ) manuell vorgenommen werden muss, bis ein zweiter Grenzsteuerwinkel (σ_42) wieder unterschritten und damit die automatische Betriebsart (301) der Trimmwinkeleinstellung wieder aktiviert wird.
2. Verfahren zum Steuern eines Wasserfahrzeugs nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zu überschreitende erste Grenzsteuerwinkel (σ_41) größer ist als der zu unterschreitende zweite Grenzsteuerwinkel (σ_42).
3. Verfahren zum Steuern eines Wasserfahrzeugs nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Grenzsteuerwinkel als auch der maximal einstellbare Steuerwinkel (σ_L) abhängig von der Geschwindigkeit (v) bzw. der Drehzahl (n) sind und aus einer in der elektronischen Steue- rungseinheit (130) abgelegten Wertetabelle oder Kennlinie ermittelt oder nach einer mathematischen Funktion errechnet werden.
4. 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.
5. Verfahren zum Steuern eines Wasserfahrzeugs nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der maximal einstellbare Steuerwinkel (σ_L) in einem ersten Fahrbereich (S1), der von einer ersten Drehzahlgrenze bis zu einer zweiten Drehzahlgrenze reicht, noch nicht reduziert ist und mit zunehmender Geschwindigkeit (v) bzw. Drehzahl (n) in weiteren Fahrbereichen linear reduziert wird.
6. Verfahren zum Steuern eines Wasserfahrzeugs nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der maximal einstellbare Steuerwinkel (σ_L) in einem ersten Fahrbereich (S1) noch maximal ist und in jedem der mit steigender Geschwindigkeit folgenden Fahrbereiche, in welchen jeweils die selbsttätige Einstellung des Trimmwinkels (τ) nach einer anderen Betriebsart erfolgt, der maximal einstellbare Steuerwinkel (σ_L) in jedem Fahrbereich konstant bleibt und sich beim Übergang zum nächst schnelleren Fahrbereich verringert.
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