AC 75 Foiling Monohull in 1:12

micha b

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Wie in diesem thread https://www.rc-network.de/threads/ac-75-vielleicht-ein-community-projekt.11964384/ bereits angekündigt, plane ich den Bau einer AC 75.
Um genauer zu sein der aktuellen ETNZ "The Rehutai".


Diese foilenden Monohulls sind zur Zeit glaube ich die komplexesten Segelboote die man sich zum Bau aussuchen kann. Je weiter man sich rein denkt desto unlösbarer erscheinen die einzelnen Aufgaben - und genau das ist das was mich daran reizt.
Es gilt neben den klassischen Aufgaben beim Bootsbau viele zusätzliche Aufgaben zu lösen zu denen ich bisher zumindest keine Berichte im Web gefunden habe. Scheinbar hat das schlichtweg noch niemand gemacht... also Neuland!

- Ein vollkommen neues Rumpfdesign welches auf Frühgleiten ausgelegt ist.
- Zwei heb- und senkbare Foilarme die einzeln im Winkel steuerbar sein müssen, auch unter hoher Last.
- Die an den Armen hängenden Foils sind mit Flaps ausgestattet welche natürlich ebenfalls steuerbar sein müssen
- Das T-Ruder lenkt nicht nur sondern steuert über Kippwinkel auch gemeinsam mit den Foils die "Flughöhe"
- Das Hauptsegel ist ein Twin Skin Segel dessen Steuerung mir aktuell noch vollkommen unklar ist.
Die Twin Skin Segel sind aber ca. 20% effizienter als normale Segel, und diese Effizienz wird man wohl leider brauchen damit das Ganze "fliegt"
- Der Mast wird für die Steuerung des Twin Skins um die Hochachse drehbar ausgelegt werden müssen
- Ebenfalls gesteuert werden soll die Neigung des Mastes nach vorne und hinten um den Druckpunkt des baumlosen Segels verlagern zu können.
- Fock und Hauptsegel werden über Traveller gesteuert, bei der geplanten Segelgröße wirken hier immense Kräfte... auch noch so eine Baustelle...

Zur Steuerung der oben genannten Funktionen komme ich alles in allem auf ca. 14 Servos, welche dann alle auch bedient werden müssen. Mehr als vier Funktionen gleichzeitig traue ich mir nicht zu, also muss Kollege Computer einiges übernehmen. Ich werde auch hier wieder auf einen Arduino setzen, da mir dieser bei der Kielsteuerung der großen VOR65 gute Dienste geleistet hat.
Das hier ist aber natürlich nochmal ein ganz anderes "Brett", vielleicht brauche ich auch mehr Rechenpower.

Um die ganze Technik und daraus resultierenden Gewichte unterbringen zu können habe ich mich für einen riesigen Maßstab von 1:12 entschieden, welcher (leider) zu einer beachtlichen Größe führen wird:
Rumpflänge: 1.900 mm
Rumpfbreite: 510 mm
Masthöhe über Deck: 2.200 mm
Breite mit Foils: 1.500 mm

Gesamtgewicht: zwischen 7 und 9 kg, davon allein 1,5 kg für Elektronik und 3,0 kg für die Foils und deren Mechanik.

Hauptsegel: 1,00 m²
Jib: 0,625 m² - 1,39 m²

Es ist also alles mit viel Theorie und letztendlich ausprobieren verbunden. Daher erfolgt die Konstruktion der einzelnen
Funktionen auch modular, so dass ich jederzeit einzelne Baugruppen optimieren bzw. austauschen kann (was aber die
eigentliche Konstruktion zusätzlich erschwert).

Um den Aufwand für den ersten Bau - den Versuchsträger - gering zu halten werde ich den Rumpf (wie bei meinen Trimaranen auch) 2mm dick in 3D drucken, aber hier zusätzlich innen und außen mit Glas / Carbon verstärken - das klassische Sandwich.
Holzspanten werden die Stabilität weiter erhöhen.


Soweit die Einleitung, in den nächsten Tagen und Monaten folgen Berichte zu den einzelnen Baugruppen die ich bereits als "versuchsreif" einstufe oder bei denen ich um eure Unterstützung bitten werde). Erst wenn ich alle Baugruppen soweit durchgeplant habe, werde ich mit dem Druck / Bau beginnen.
Wie gesagt, das ist alles Neuland, es gibt keine Erfahrung mit dem Bau solcher Booten in diesem Maßstab. Also seht mir nach, wenn ich an manchen Stellen einfach improvisiere und vielleicht auch mal Blödsinn mache - ich bin für jeden Hinweis, jedwede Art von Unterstützung und Kritik dankbar.

Ich möchte ich mich an der Stelle auch gleich bei Kuddel und Johannes bedanken, die mich im Hintergrund bereits seit Wochen intensiv unterstützen.
Ohne euren Support hätte ich wahrscheinlich schon längst aufgegeben. 👍 Danke!
 

micha b

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Zuerst stand die Konstruktion der Hülle an. Spantenrisse oder Maßzeichnungen dieses noch aktiven Rennbootes findet man natürlich nicht frei zugänglich im Web. Auch meine übliche Quelle - Chevalier Taglang - hält sich ungewohnt bedeckt mit seinen Spantenrissen der ACs. Zwar findet man in seinem Blog von jedem Boot welche, allerdings sind diese bei genauerer Betrachtung so ungenau gezeichnet, dass man sie schlichtweg nicht verwenden kann. Die Plattformen wie Thingiverse bieten zwar frei downloadbare STLs an, jedoch sind das (wahrscheinlich aus den gleichen Gründen) eher Fantasiegebilde als nutzbare Planvorlagen.
Also blieb nichts anderes als anhand von Fotos und Videos das Ganze zu rekonstruieren. Vor allem der Youtube-Kanal von "Mozzy Sails" half mir durch die tiefen Einblicke in die echten Boote und Forschungseinrichtungen der einzelnen Teams, Film- und Fotoschnipsel sowie Diskussionen mit ihm bekannten Experten und -teammitgliedern.
Leider sind diese organischen Formen der Rümpfe alles andere als trivial nachzubauen, die Lackierung der Rümpfe gleicht zudem einer Tarnfolierung von Autoprototypen, verschlungene Grafiken die ein Nachbauen fast unmöglich machen und die Konturen verwischen.

Dieser Nachbau des Rumpfes hat mich gute zwei Wochen gekostet, ist jetzt aber als Grundlage für die Konstruktion hinreichend genau. Dem Rumpf werde ich mich direkt vor dem Druck nochmals widmen sobald die einzelnen Baustellen einigermaßen geklärt sind.

Der aktuelle Stand des Rumpfes:

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Wie ihr seht, habe ich den angedeuteten Kiel sehr ähnlich zur originalen Te Rehutai gestaltet - soweit man das eben mit den wenigen verfügbaren Infos hin bekommt. Zumindest Außenmaße sowie Infos zu Mastposition etc sind über die Regularien definiert.
Nochmals die Länge: 1900 mm (ohne Bugspriet) und 1500mm Breite mit Foils sind eine Ansage!
 

micha b

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Die erste Baustelle: Das Ruder.

Die Anforderung hier ist, unter Wasser möglichst schmal und filigran zu bauen, so dass das T-Foil möglichst wenig Widerstand bietet. Dafür habe ich hier auf steuerbare Flaps verzichtet und kippe stattdessen das Ruder komplett nach vorne bzw. hinten um die entsprechende Anstellung des Foils zu erreichen.
Um das Servo nicht mit Dauerlast zu beaufschlagen, arbeite ich hier mit einer Gewindestange M6 (orange), welche das Servo über eine Übersetzung ansteuert (weiß). Die M6-Stange hat hierbei 1mm Steigung, das Servo bis zu 9 Umdrehungen und die Übersetzung beträgt 3:1. Die Ruderachse wird somit innerhalb von 3 Sekunden um +/- 7mm bewegt, was wiederum eine Verstellung von +/- 7° entspricht. Sollte das zu langsam sein, kann ich einfach die Übersetzung entsprechend anpassen.
Man darf nicht vergessen, dass beim Foilen geringe Ruderflächen und -ausschläge ausreichend sind, mit den 7° sollte ich auf jeden Fall im grünen Bereich sein.
Die Ruderachse wird zudem noch an der Spitze mit zwei Carbonstangen am Deck abgestzützt um die Kräfte besser auffangen zu können.
Der rote Hebel übernimmt die Drehung des Ruders. Oben im Ruderkoker ist eine Bohrung um die Ruderachse für den Transport ausbauen oder wechseln zu können.
Das Profil für das Ruder selbst ist ein sich nach unten verjüngendes NACA 0015, das Foil selbst ein AG25, angestellt auf 2,5°.
Ich lagere die Ruderachse übrigens in Kugelgelenken um möglichst spielfrei agieren zu können.
Die komplette Einheit (gelb) lässt sich für Servicearbeiten demontieren. Durch diese Öffnung komme ich im Falle des Falles dann auch an das Servo.

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micha b

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Der Traveller für das Hauptsegel:

Der ist noch nicht ganz ausgegoren und stellt eine Vorversion dar. Gefällt mir aber noch nicht, daher stehen die Details wie Befestigung unter Deck etc. auch noch nicht.
Zur Funktion: Ein Servo / Winsch zieht den Traveller nach SB oder BB, ein zweites Servo bringt über einen Flaschenzug die Spannung in's Segel. Flaschenzug deswegen, da so die Segelspannung auch beim Verfahren des Travellers bleibt. Der Traveller muss zudem gebogen sein um immer den selben Abstand zur Drehachse (Mast) zu haben. Ich fräse ihn dazu aus einem Alublech und lasse den Traveller mit mehreren Kugellagern (magenta) darauf entlangrutschen. Wie gesagt, gefällt mir das noch nicht ganz, da es noch zu kompliziert ist und hakeln kann. EIne Linearschiene mit Wagen wäre hier besser, ich weiß aber noch nicht, wie ich die gleichmäßig biegen könnte ohne dass der Wagen dann zu schwergängig würde.

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micha b

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Passend dazu kurz nach vorne gesprungen: Der Mast.

Wie beschrieben, plane ich den Einsatz eines Twin Skin Segels, das bedingt einige zusätzliche Funktionen am Mast:
- Aufnahme für zwei Segel
- Drehbar, wichtig für die Anstellung der Segel
- nach vorne und hinten neigbar zur Verschiebung des Druckpunktes

Der Mast ist hierfür zum Bug hin wie im Original aerodynamisch ausgeformt. Zentral wird der Mast auf eine Kugel gestellt, welche oben und unten jeweils in einem Axiallager liegt. Die Drehung wird durch ein Servo gesteuert. Das Graue Teil ist 3D gedruckt (inkl. angeflanschtem Zahnrad, der Mast hat zentral ein stabiles Carbonrohr zur Lastaufnahme, die Form selbst wird ebenfalls gedruckt da hierauf so gut wie keine Kraft wirken wird. Zusätzlich werde ich sie mit Kohle und Harz verstärken.

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micha b

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Eines der vermeintlichen Kernthemen: Die Hebe- und Senkmechanik der Foilarme

Tatsächlich war das gar nicht so schwer, wie anfangs angenommen... wenn man erstmal verstanden hat, dass die Drehachse so weit außen und unten wie möglich positioniert werden muss, damit die Öffnung im Rumpf entsprechend klein bleibt, geht es nur noch um die stabile Ausführung der Aufhängung. Dazu gehört für mich auch wieder, den Servos so wenig Dauer- und Impulslast wie möglich auf zu bürden.
Die Eliminierung der Impulslast funktioniert nach wie vor am Besten mit einem selbst sperrenden Getriebe - dem Wurmgetriebe (orange).
Das Ganze dann noch in einen so weit wie möglich geschlossenen Kasten (Alu-Vierkantrohr) gebaut und das Ganze ist mega stabil.
Auch hier habe ich eine mögliche, zusätzliche Übersetzung über zwei Modul 1 Zahnräder mit eingearbeitet - sicher ist sicher. Aktuell gehe ich hier aber von 1:1 aus.
Die Drehachse konnte ich so weit außen positionieren, dass ich ohne größere Ausschnitte im Rumpf 115° Drehwinkel des Foilarms realisieren konnte. Das sollte vollkommen ausreichend sein, um diesen zum einen aus dem Wasser zu heben und zum anderen im Falle einer Kenterung als aufrichtendes Moment möglichst weit nach unten drehen zu können.
Zwecks Stabilität ist die 14mm Drehachse als massiver Eisen- oder Messingstab ausgeführt, in den das Anbindungsprofil für die Arme eingeschweißt / eingelötet wird. An dieses Profil können dann verschiedene Arme (hellblau) befestigt werden - da isser wieder der Modulgedanke.
Auch hier sind alle Module mit Schrauben befestigt und können ohne größeren Aufwand ausgetauscht werden.

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Die Aluprofile sind zusätzlich an eine Aluplatte (grau) geschraubt, welche auch die Kugellager der Achsen und Zahnräder (magenta) aufnimmt. Damit sind diese dauerhaft korrekt zueinander ausgerichtet.
 

micha b

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Weiter geht's: Die Ansteuerung der Foils.

Wie bereits erwähnt, besitzen die Foils Flaps, mit welchen der Auftrieb / die Flughöhe bestimmt werden, zu deren Ausführung später mehr.
Da die Foils sehr dünn ausgeführt werden müssen (dickste Stelle ist jetzt unter 5mm) , ist die Platzierung von Servos im Foil schlichtweg nicht möglich. Ich muss die Servos also im Rumpf platzieren und via Bowdenzug durch den Foilarm ansteuern. Nachdem ich zuerst die Bowdenzüge bis zur "Servocity" weiterlaufen lies habe ich sie dann doch gekürzt und die Mini-Servos direkt an der Drehachse positioniert. Größere Servos würden den möglichen Drehwinkel zu stark begrenzen - ich hoffe, dass die Minis stark genug sein werden.

Mittels eines 3D gedruckten Teils (gelb) wird das Servo fest an seinem Platz gehalten und schiebt bzw. zieht den Bowdenzug (grau) durch das Bowdenrohr (rot). Auch hier ist alles demontierbar gestaltet. Dieser gelbe Bereich ist dann auch tatsächlich der einzige Ausschnitt, der im Rumpf gemacht werden muss.
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Diese Stelle ist dann natürlich nicht wasserdicht. Der Bereich zwischen den beiden Spanten wird daher wasserdicht ausgeführt (eine sogenannte "Wetbox"), die auch eine Bilgenpumpe bekommen wird, damit ich nicht so viel Wasserballast mit der AC herumfahren werde. Die 120gr für die Pumpe muss ich eben investieren.
Eine andere Idee wäre, eine zum Heck zeigende Öffnung im Rumpf zu platzieren und das vorbeifließende Wasser bei Verdrängerfahrt zu nutzen, das Wasser auf dem Boot zu saugen. Wenn die AC erstmal fliegt, liefe das restliche Wasser einfach so hinaus.
Mal schauen, wie ich das umsetzen werde. Das soll aktuell das kleinste Problem sein.
 
ViewCapture20210320_205000.jpgHydrauliczylinder_06.jpg

Eines der vermeintlichen Kernthemen: Die Hebe- und Senkmechanik der Foilarme

Tatsächlich war das gar nicht so schwer, wie anfangs angenommen... wenn man erstmal verstanden hat, dass die Drehachse so weit außen und unten wie möglich positioniert werden muss, damit die Öffnung im Rumpf entsprechend klein bleibt, geht es nur noch um die stabile Ausführung der Aufhängung. Dazu gehört für mich auch wieder, den Servos so wenig Dauer- und Impulslast wie möglich auf zu bürden.
Die Eliminierung der Impulslast funktioniert nach wie vor am Besten mit einem selbst sperrenden Getriebe - dem Wurmgetriebe (orange).
Das Ganze dann noch in einen so weit wie möglich geschlossenen Kasten (Alu-Vierkantrohr) gebaut und das Ganze ist mega stabil.
Auch hier habe ich eine mögliche, zusätzliche Übersetzung über zwei Modul 1 Zahnräder mit eingearbeitet - sicher ist sicher. Aktuell gehe ich hier aber von 1:1 aus.
Die Drehachse konnte ich so weit außen positionieren, dass ich ohne größere Ausschnitte im Rumpf 115° Drehwinkel des Foilarms realisieren konnte. Das sollte vollkommen ausreichend sein, um diesen zum einen aus dem Wasser zu heben und zum anderen im Falle einer Kenterung als aufrichtendes Moment möglichst weit nach unten drehen zu können.
Zwecks Stabilität ist die 14mm Drehachse als massiver Eisen- oder Messingstab ausgeführt, in den das Anbindungsprofil für die Arme eingeschweißt / eingelötet wird. An dieses Profil können dann verschiedene Arme (hellblau) befestigt werden - da isser wieder der Modulgedanke.
Auch hier sind alle Module mit Schrauben befestigt und können ohne größeren Aufwand ausgetauscht werden.

Anhang anzeigen 12568940
Anhang anzeigen 12568941

Die Aluprofile sind zusätzlich an eine Aluplatte (grau) geschraubt, welche auch die Kugellager der Achsen und Zahnräder (magenta) aufnimmt. Damit sind diese dauerhaft korrekt zueinander ausgerichtet.

Hallo Micha,

hast du schon einmal die auftretenden Drehmomente am Foilarm/Getriebe bis zum Servo durchgerechnet?
Bei meinem AC75-Projekt, 1,6m Länge komme ich allein an der Drehachse des Foilarmes auf 17,3 Nm.
In deinem Fall dürfte es mehr als 20 Nm werden. Meiner Meinung nach benötigst du zwischen Drehachse/Foil und Schneckenrad mindest. eine weitere Untersetzung von 3:1 . Ein Schneckenrad wie dieses hier z.B. kann max 6,5 Nm und hat einen Durchmesser von 35 mm
Ich kann dir nur empfehlen das Getriebe einmal zu berechnen!

Clipboard06.jpg
ViewCapture20210320_205000.jpgHydrauliczylinder_06.jpg
 
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micha b

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Hallo Andreas,
nein, das ist tatsächlich noch nicht gerechnet sondern nur geschätzt.

Eine andere Übersetzung als 1:1 würde wahrscheinlich Sinn machen. Sobald ich
die Foils und den Arm gewichtstechnisch besser einschätzen kann werde ich da
nochmals drüber gehen und dann natürlich auch einen Probeaufbau machen.

Was mich bei deiner Lösung mit der hydraulischen Anlenkung noch nicht ganz
klar ist, ist die korrekte Positionierung der Foils im Betrieb.
Und noch eine Frage: Hast du den Bau fortgeführt oder ist das Projekt im Winterschlaf?
 
Hallo Andreas,
nein, das ist tatsächlich noch nicht gerechnet sondern nur geschätzt.

Eine andere Übersetzung als 1:1 würde wahrscheinlich Sinn machen. Sobald ich
die Foils und den Arm gewichtstechnisch besser einschätzen kann werde ich da
nochmals drüber gehen und dann natürlich auch einen Probeaufbau machen.

Was mich bei deiner Lösung mit der hydraulischen Anlenkung noch nicht ganz
klar ist, ist die korrekte Positionierung der Foils im Betrieb.
Und noch eine Frage: Hast du den Bau fortgeführt oder ist das Projekt im Winterschlaf?
Das Drehmoment setzt sich aus Hebelarm des Foilarms, dem Bootsgewicht und der Segelquerkraft und Höhe Segeldruckpunkt zusammen.

Der Weg der Hydrauikzylinder begrenzt die Stellpositionen der Foilarme.

Mein AC75-Projekt ruht. Hab noch andere Baustellen....
 

micha b

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Der Weg der Hydrauikzylinder begrenzt die Stellpositionen der Foilarme.
Dann vermute ich, dass du die Arme nur bis zur Arbeitsposition herunter fahren kannst? Jedoch nicht ganz nach unten um bei einer Kenterung aufrichtendes Moment generieren zu können? Richtig?
Hätte gerne mit Hydraulik gearbeitet, jedoch fiel mir kein Weg ein, beide Positionen reproduzierbar anzufahren.
 
Zuletzt bearbeitet:

Shark_PS

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Moin Micha,

ich hätte da auch noch einen Punkt den die bei deinen technischen Lösungen mit einbeziehen solltest. Das sind die Stellzeiten. Es gibt für die diversen Einheiten unterschiedliche Maßstabsgesetze damit verschiedene Eigenschaften / Größen bei unterschiedlichem Maßstab vergleichbar bzw. ähnlich bleiben zwischen "Original" und "Modell". Für die Geschwindigkeit und die Zeit ist dieser Faktor gleich der Quadratwurzel aus dem Maßstab. bei deinem Maßstab von 1:12 ist das gerundet dann 3,5.

Angenommen ein AC 75 braucht ca. 10s für eine Wende oder Halse dann sind das für dein Modell dann knapp unter 3s. Dementsprechend schnell müssen dann auch deine Stellgeschwindigkeiten sein ... . Z.B. deine 3s für für deine Anstellwinkeländerung des Ruder T-Foils sind da aus meiner Sicht Schneckentempo, das sollte in unter einer Sekunde gehen. Das System ist nicht so träge. Man muss sich da einfach mal die Videos der foilenden Mini 40 anschauen wie agil und flott die unterwegs sind ...

Ich bin bei sehr froh darüber, dass das Segelservo in meiner RG sehr schnell ist, da kann, wenn das Timing des Skippers passt, bei einer foilenden Halse passend das Segel geschiftet werden.

By the way: Take Off Speed eine einer AC75 von 15kn wären dann für dein Modell ca. 2,2m/s und 50kn dann 7,3m/s. Aber das nur so am Rande ...

Gruß,
Patrick
 
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Dann vermute ich, dass du die Arme nur bis zur Arbeitsposition herunter fahren kannst? Jedoch nicht ganz nach unten um bei einer Kenterung aufrichtendes Moment generieren zu können? Richtig?
Hätte gerne mit Hydraulik gearbeitet, jedoch fiel mir kein Weg ein, beide Positionen reproduzierbar anzufahren.
Alle Stellungen sind mit der Hydraulik möglich!
Flugmodus.jpg
Kielstellung.jpg
 

Merlin

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micha b

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Alle Stellungen sind mit der Hydraulik möglich!
Ja, das verstehe ich schon. Aber wie stellst du beim Senken vom Ufer aus die exakte Arbeitsposition der Foils ein? Also die bei der die Foils exakt waagrecht stehen? Die brauchst du ja am häufigsten, und das ist die einzige Position die exakt stimmen muss. Ob das vollständig gehobene oder gesenkte Foil ein paar Millimeter höher oder tiefer steht ist hingegen nicht wichtig, da reichen der Endanschlag von Mechanik oder Zylinder.

@Merlin: Linearservos sind prinzipbedingt zu langsam oder zu schwach. Oder beides.

Sollte das von mir oben gezeigte Prinzip mit dem Schneckengetriebe nicht funktionieren,
gäbe es noch die Möglichkeit mit der Gewindespindel.
Das hab ich so in meiner VOR65 verbaut und es funktioniert ganz gut:

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Ist aber auch wieder recht langsam, trotz 5mm Steigung der Spindel.
Ich versuche also zuerst die Variante mit der Schnecke.
 
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