AC 75 Foiling Monohull in 1:12

[Ger52979 Arne]

ich stell mir gerade vor, wie man ein 10rater an einem kugellager mit einem stab seitlich aufspießt und der stab hat unten auch ein kugellager. allein durch segelkraft und gewicht wäre es schwer das boot senkrecht zu halten. der luvausleger mit etwas gewicht könnte dabei helfen. das lager am ende des arms kann man ggf etwas dämpfen (spiegelt die foil torsion im wasser wieder) sehe ich das richtig?

anderer lastfall ist vorwind aber da sprechen wir ein andermal drüber.

allgemein bin ich bei patrick aber you never know untill you know

ich habe mal ein paar hydrauliker aus einem AC 40 team angesprochen die ich kenne. vllt gibt es infos

punkt 2:
der foil arm der ac75 wurde in dem video

https://www.youtube.com/embed/RPB7g2iNZug?wmode=opaque&start=0

mit 20000kg getestet, bei einem antizipierten bootsgewicht von 6500kg

breaking load über 27t am foil arm ende.

dazu kommt, dass die 2 relativ große zylinder verwenden und auch kräftige lager, d.h. die erwarten viel kraft.


ich stell mir da wieder den standsegler vor, der sein lee rad nach unten drücken soll. kämpft der nur gegen sein eigenes gewicht?

 

[Hydroptere]

Naja, mein Glaube hat damit wenig zu tun ;-) Ich habe einfach einen anderen Ansatz:

a) Im stabilisierten Zustand sieht es dann so aus:
Anhang anzeigen 12655839
In diesem Zustand wirken auf das Servo an der Drehachse wie oben beschrieben 0 Nm weil sich die grünen Kräfte gegenseitig aufheben.


b) Wenn es NICHT im Gleichgewicht ist (z.B. weil die Segelkraft (oberer hellblauer Vektor) größer wird), muss das Servo gegegnsteuern, in diesem Fall das Foil anheben, damit der untere hellblaue Vektor so groß wird wie der obere.
Dies aber eben nur geringfügig, und zwar viel weniger als die gesamte Gewichts- oder Querkraft des Bootes (orangener Pfeil). Daher meine ich, dass das 100kg Servo auf jeden Fall ausreichen wird.
Anhang anzeigen 12655841

Patrick, zu a) kannst du mir recht geben nehme ich an?

So lange man den Vektoren nur eine Richtung angibt und die Größe der Kräfte nicht berücksichtigt sollte man in die Kirche gehen. Dort wird geglaubt.
Statik, Kräfte zerlegen und Ermittlung von Drehmomenten muß man nun mal richtig machen.
Hier abschließend meine Ergebnisse.
Bemerkung: Mit diesem Drehmoment kann man eine M8 Schraube der Festigkeitsklasse 8.8 schon abreißen! siehe hier

 

[Hydroptere]

Im obigen Fall wirkt der resultierende grüne Kraftvektor nicht senkrecht zu Foilfläche. Das würde bedeuten, dass Kräftegleichgewicht wäre nicht gegeben. Dreht man nun den Foilarm in Richtung senkrecht wirkendem Kraftvektor (siehe untere Skizze) verkürzen sich natürlich die Hebelarme. Dadurch muss die erforderliche Auftriebskraft größer werden. D.h. mehr Flapanstellung oder dichtholen ergo mehr Krängung ....mehr Speed.
Anhand diesr Graphik und Berechnungsergebnissen ist das dynamisch Verhalten sehr schön zu studieren.
Umgekehrt natürlich auch. Zeigt der resultierende Kraftvektor eher in Richtung Drehpunkt des Foilarmes und die Auftriebskraft ist noch ausreichen für liftoff führt das zu mehr Kraft in Richt Luv. Das wiederum erzeugt natürlich wieder zu einem vermehrten Drehmoment und zu mehr Krängung.
Das erklärt auch das schnelle Arbeiten des Travelerschlitten am Groß der AC75/AC40.
Es ist also ein ständiges Wechselspiel zw. Querkraft aus dem Segel und Auftriebskraft der Foils durch Veränderung der Flapstellung bei const. Foilarmstellung.

Ich kann nur jedem der sich mit dieser Thematik ernsthaft beschäftigt dies entweder mit Fusion 360 oder mit Rhino 6 Grashopper aufzuzeichnen und Fallstudien zu simulieren.
Jede weitere Annahmen sind blauer Dunst und kosten nur Zeit und Geld.

 

[micha b]

OK, überzeugt. Denkfehler meinerseits. Danke, das hat mir einiges an Arbeit (und Geld) erspart.

Also wieder zurück zum Anfang.

Andreas, du planst an der Stelle mit Hydraulik. Wenn ich das richtig in Erinnerung habe mit Doppelzylindern a 22mm.
Welche Verstellgeschwindigkeit bekommst du damit realisiert?
Und welches Öl verwendest du? Möchte ungern im Havariefall nen halben Liter Hydrauliköl im Teich verteilt sehen.
Was wiegt die gesamte Hydraulik?

 

[Airpainter98]

Die Lösung nennt sich Weißöl. Ist auf Paraffinbasis und biologisch abbaubar.
Dieses Öl wird auch in Pumpen von Hebeanlagen verwendet. Mineralisches Öl wird in Klärwerken nicht gern gesehen.

 

[Airpainter98]

Vergessen:
Spielt die Geschwindigkeit wirklich eine so große Rolle? Ich bin noch immer der Meinung, dass es nur 3 Stellungen braucht.
Oben, unten und Flugstellung.
Alles andere wird durch die Flaps am Foil und das Ruder gesteuert.
...und diese drei Stellungen fragst du einfach über Reedkontakte ab.
Sieh dir mal die C85-Serie von SMC an. Relativ bezahlbar und leicht.
SMC wird auch in der Industrie verwendet und funktioniert.

 

[Hydroptere]

OK, überzeugt. Denkfehler meinerseits. Danke, das hat mir einiges an Arbeit (und Geld) erspart.

Also wieder zurück zum Anfang.

Andreas, du planst an der Stelle mit Hydraulik. Wenn ich das richtig in Erinnerung habe mit Doppelzylindern a 22mm.
Welche Verstellgeschwindigkeit bekommst du damit realisiert?
Und welches Öl verwendest du? Möchte ungern im Havariefall nen halben Liter Hydrauliköl im Teich verteilt sehen.
Was wiegt die gesamte Hydraulik?

Stellgeschwinigkeiten ca. 3 sec. Siehe Video auf FB

Zu biologisch abbaubaren Hydraulikölen google mal!

Hab ich alles schon mal auf FB gepsted.....

 

[micha b]

Zu den 820gr kommen aber noch 300ml Öl, richtig?

Noch eine Frage: Das Video stammt aus 2021, was ist seither geschehen?

 

[Shark_PS]

Moin Andreas,

Im obigen Fall wirkt der resultierende grüne Kraftvektor nicht senkrecht zu Foilfläche. Das würde bedeuten, dass Kräftegleichgewicht wäre nicht gegeben. Dreht man nun den Foilarm in Richtung senkrecht wirkendem Kraftvektor (siehe untere Skizze) verkürzen sich natürlich die Hebelarme. Dadurch muss die erforderliche Auftriebskraft größer werden. D.h. mehr Flapanstellung oder dichtholen ergo mehr Krängung ....mehr Speed.
Anhand diesr Graphik und Berechnungsergebnissen ist das dynamisch Verhalten sehr schön zu studieren.
Umgekehrt natürlich auch. Zeigt der resultierende Kraftvektor eher in Richtung Drehpunkt des Foilarmes und die Auftriebskraft ist noch ausreichen für liftoff führt das zu mehr Kraft in Richt Luv. Das wiederum erzeugt natürlich wieder zu einem vermehrten Drehmoment und zu mehr Krängung.
Das erklärt auch das schnelle Arbeiten des Travelerschlitten am Groß der AC75/AC40.
Es ist also ein ständiges Wechselspiel zw. Querkraft aus dem Segel und Auftriebskraft der Foils durch Veränderung der Flapstellung bei const. Foilarmstellung.

Ich kann nur jedem der sich mit dieser Thematik ernsthaft beschäftigt dies entweder mit Fusion 360 oder mit Rhino 6 Grashopper aufzuzeichnen und Fallstudien zu simulieren.
Jede weitere Annahmen sind blauer Dunst und kosten nur Zeit und Geld.

Anhang anzeigen 12656492

alles schön mit deinen beiden Fallskizzen und den eingetragenen Kraftvektoren. Ich habe da aber ein kleines Verständnis Problem, was du aber sicherlich im Handumdrehen lösen bzw. mir erklären kannst.
Ich gehe mal davon aus, dass einen stabilen Gleichgewichtszustand betrachtest, also Summe aller Kräfte in den Achsrichtungen = 0 (horizontal und vertikal), als auch die Summe aller Momente = 0 durch diese. Bei der blauen horizontale Segelquerkraft die auf entsprechender Höhe am Mast angreift, gehe ich mal davon aus, das die aufgrund des gezeigten Ausschnittes oben einfach fehlt, weil abgeschnitten. Damit wäre dann die Kräfte in horizontaler Richtung ausgeglichen. Soweit alles OK für mich. Auch die Gewichtskraft taucht zwei mal auf in entgegengesetzte Richtungen, welche sich dann entsprechend auch ausgleichen. Auch OK.
Jetzt zu der Tatsache bei er ich hänge: Du hast am Foil eine zusätzlichen roten Kraftanteil betitelt mit "Kraft aus Querkraft Segel und erzeugtem Drehmoment", wo wird aber diese in vertikaler Richtung ausgeglichen ?? Und wodurch wird diese dann noch fehlende Kraft erzeugt ?? Hat ja eine nicht vernachlässigbare Größenordnung (30-40% der Gewichtskraft) und würde das Schiffchen ständig wie einen Wetterballon in die Höhe steigen lassen ...

 

[Hydroptere]

Moin Andreas,

alles schön mit deinen beiden Fallskizzen und den eingetragenen Kraftvektoren. Ich habe da aber ein kleines Verständnis Problem, was du aber sicherlich im Handumdrehen lösen bzw. mir erklären kannst.
Ich gehe mal davon aus, dass einen stabilen Gleichgewichtszustand betrachtest, also Summe aller Kräfte in den Achsrichtungen = 0 (horizontal und vertikal), als auch die Summe aller Momente = 0 durch diese. Bei der blauen horizontale Segelquerkraft die auf entsprechender Höhe am Mast angreift, gehe ich mal davon aus, das die aufgrund des gezeigten Ausschnittes oben einfach fehlt, weil abgeschnitten. Damit wäre dann die Kräfte in horizontaler Richtung ausgeglichen. Soweit alles OK für mich. Auch die Gewichtskraft taucht zwei mal auf in entgegengesetzte Richtungen, welche sich dann entsprechend auch ausgleichen. Auch OK.
Jetzt zu der Tatsache bei er ich hänge: Du hast am Foil eine zusätzlichen roten Kraftanteil betitelt mit "Kraft aus Querkraft Segel und erzeugtem Drehmoment", wo wird aber diese in vertikaler Richtung ausgeglichen ?? Und wodurch wird diese dann noch fehlende Kraft erzeugt ?? Hat ja eine nicht vernachlässigbare Größenordnung (30-40% der Gewichtskraft) und würde das Schiffchen ständig wie einen Wetterballon in die Höhe steigen lassen ...

Sorry, da habe ich einen Pfeil geschlabbert ;-)

Mit der resultierenden Kraft kann man nun eine Foilfläche abschätzen und die dafür erforderliche Liftoff- Geschwindigkeit ermitteln. Oder umgekehrt berechnet man die erforderliche Fläche bei gewünschter Liftoff-Geschwindigkeit.
Das hängt natürlich von der max. Rumpfgeschwindigkeit ab....ect.

 

[Shark_PS]

Sorry, da habe ich einen Pfeil geschlabbert ;-)

Okayyy ...
Kann man so machen, einfach eine weitere Kraft hinzufügen, die einen Ausgleich in vertikaler ergibt. Für mich ist aber immer noch nicht nachvollziehbar woher die kommen soll.
Da sich nach der Abbildung die Kräfte dann kompensieren bleib nur die Gewichtskraft über. Der resultierende grüne Kraftvektor fürs Moment wird somit deutlich kleiner und damit auch das am Foilarm auftretende Moment ...

 

[Christian Lucas]

Hi,
wenn man den Booten zusieht wie sie reagieren wenn z.B. kurz vor einer Wende der zweite Foil ins Wasser geschwenkt wird , passiert eigentlich nichts Dramatisches. Ich gehe davon aus dass die Flügel somit ohne differenzen eingestellt sind , also die Flaps beim Eintauchen Neutral stehen. Durch den höheren Widerstand wird das Boot etwas langsamer , der Auftrieb müsste aber dann durch etwas Flap einstellung erhöht werden, damit das Boot nicht zu sehr absinkt. Ich würde deshalb erst einmal nicht zuviel mit den Klappen ect. spielen , erst mal das Boot zum Abheben bringen und dann sehen wie es sich verhält wenn einer der Foilerarme herausgeschwenkt wird. Ob dann alle Kräfte sich ausgleichen und das Ding nicht stolpert. Bin kein Segler aber was Ihr da durch Denkt und auf Kiel legt ist der Wahnsinn , im Positiven Sinn.

Happy Amps Christian

 

[Shark_PS]

Hallo zusammen,

habe mir heute Abend noch mal die Mühe gemacht, den Rechenweg für das Moment, welches an der Drehachse des Foilarms wirkt, möglichst nachvollziehbar festzuhalten. Dabei ist das Kräftemodell auf das Wesentliche vereinfacht und die Formeln allgemein gehalten, sprich ausschließlich mit Variablen / Platzhaltern. Erst zum Schluss werden für diese Werte angenommen auf Basis der hier im Thread bekannten bzw. prognostizierten Werte des realen Modells. Aufgrund der allgemeinen Herleitung kann auch jeder mit seinen eigenen Zahlenwerten die Unbekannten Kräfte und Das Moment ausrechen.
Falls Fragen oder Ungereimtheiten dazu auftauchen sollten, versuche ich das gerne zu klären.

 

[Hydroptere]

Hallo zusammen,

habe mir heute Abend noch mal die Mühe gemacht, den Rechenweg für das Moment, welches an der Drehachse des Foilarms wirkt, möglichst nachvollziehbar festzuhalten. Dabei ist das Kräftemodell auf das Wesentliche vereinfacht und die Formeln allgemein gehalten, sprich ausschließlich mit Variablen / Platzhaltern. Erst zum Schluss werden für diese Werte angenommen auf Basis der hier im Thread bekannten bzw. prognostizierten Werte des realen Modells. Aufgrund der allgemeinen Herleitung kann auch jeder mit seinen eigenen Zahlenwerten die Unbekannten Kräfte und Das Moment ausrechen.
Falls Fragen oder Ungereimtheiten dazu auftauchen sollten, versuche ich das gerne zu klären.

Anhang anzeigen 12659824

Sehr gut Patrick!
Das erinnert mich an meine damaligen Dynamik- und Statikklausuren ^^
Das Drehmoment von ca. 110 kg cm bzw. 12 Nm ist dennoch beachtlich hoch und mit einem Servo ohne Untersetzung nicht erreichbar.

Die resultierende Auftriebskraft am Foil FF ist dann FF = (FQ² + FG²) ^1/2 = 69,33 N

und die Neigung des Foils gegenüber der Wasseroberfläche ist Alpha Foil = ARCCOS(FG / FQ) * 180 / Pi) = 22,62 <°

bei der von Michael vorgegeben Foilfläche von AF = 0,01652 m², Roh Wasser 995 kg/m³, CL = 0,8 (konservativ!) ergibt sich

Liftoff speed wlo = (FF / (1/2 * RohW *AF * CL) )^(1/2) = (69,33 / (0,5 * 995 *0,01652 * 0,8)) ^0,5 = 3,25 m/s

Bemerkung: Die Lage des Gewichtsschwerpunktes ändert sich natürlich durch die unterschiedliche Neigung der Foilarme!

 

[Shark_PS]

Freut mich zu lesen, dass sich der Aufwand anscheinend gelohnt hat. Wollte das einfach hier mal glatt ziehen.

Mit dem Kräftemodell und den Formeln kann man nun natürlich diverse Scenarios durchspielen und schauen, welche Parameter positven oder negativen Einfluss haben und auch sehen was für einen Kantwinkel das Foil benötigt um die entsprechende Querkraft zu liefern (siehe Rechnung Andreas).
So tappt man nicht mehr im Dunklen mit ich meine / glaube ... , sondern man kann mit konkreten und realistischen Werten arbeiten und auch entsprechende Reserven mit einplanen, ohne die Befürchtung zu haben, dass beim ersten Versuch alles in die Brüche geht.

 

[Hydroptere]

ok, jetzt das System um 90 Grad drehen und die notwendigen Kräfte am Heckfoil berechnen. Bzw. das Nickverhalten / Nickmoment ermitteln. Bzw. die Grösse der Heckfoilfläche.
Du wirst sehen, das aus der sich ergebenden vertikalen Kraft am Heckfoil auch die Grösse des Gewichtsvektors sich ändern wird!
Die muss dann natürlich in der Kräftebilanz des Mainfoils wieder berücksichtigt werden.
Komplexes System.....


ok, der nächste Schritt ist ein Rechenmodell aufzustellen, wie aus der benötigten Querkraft und Bootsgeschwindigkeit bei vorgegebener Segelfläche und dessen Anstellwinkel die scheinbare Windgeschwindigkeit bzw. wahre Windrichtung und wahre Windgeschwindigkeit sein muss.
Dann man los Patrick!!!

 

[Hydroptere]

In etwa so!

 

[swiftsoarer]

Hallo zusammen,
toller Input hier vielen Dank .
Ich will ja jetzt hier nicht rumunken aber wenn ich mich nicht verrechnet habe ist die Rumpfgeschwindigkeit ca. 1,7m/s
Ich glaube ihr braucht ein Wunder oder größere Foils!
Schöne Grüße
Johannes

 

[Shark_PS]

ok, jetzt das System um 90 Grad drehen und die notwendigen Kräfte am Heckfoil berechnen. Bzw. das Nickverhalten / Nickmoment ermitteln. Bzw. die Grösse der Heckfoilfläche.
Du wirst sehen, das aus der sich ergebenden vertikalen Kraft am Heckfoil auch die Grösse des Gewichtsvektors sich ändern wird!
Die muss dann natürlich in der Kräftebilanz des Mainfoils wieder berücksichtigt werden.
Komplexes System.....

Da es nicht mein Projekt hier ist, werde ich das nicht machen.
Mir geht / ging es hauptsächlich nur darum, die von mir erwähnte Methode mit dem Kräftegleichgewicht einmal exemplarisch an dem konkreten Beispiel für die hier mitlesende Allgemeinheit, die nicht alltäglich damit zu tun hat, in einfach nachvollziehbaren Schritten vorzuführen. Hoffe damit, dass sich andere damit selbst weiterhelfen können in dem sie die Methode adaptieren.

Dass das gesamte System "etwas" komplexer ist, bin ich mir durchaus bewusst. Habe diverse Szenarien für meine foilende RG (die inzwischen sehr gut performt) rechnerisch nachgestellt und dann auch real ausprobiert oder auch anderes herum. Alles wie ich es erwartet habe und nachvollziehbar.
Ist das System gut ausgelegt / getrimmt was die Druckpunkte, den SP und die entsprechenden Hebel angeht, ist das Heckfoil quasi unbelastet und muss nur die Schwankungen für entsprechende Situationen kompensieren. Diese Schwankungen dürfen dann natürlich hinsichtlich des ca-Wertes das Heckfoil nicht überlasten und die entsprechende Foilfläche ist danach auszulegen bzw. zu wählen.

Für einen stabilen Flug ist bei dieser Foilsystemkonfiguration (wie auch bei einem normalen Flugzeug) immer eine Abtriebskraft am Heckfoil erforderlich um ein sich selbst stabilisierendes System zu erhalten. Stichwort aus dem Flugbereich ist dazu EWD. Wenn die aber im Normalfall größer als als 10% der Auftriebs (des Mainfoils) bzw. der Gewichtskraft ist, ist aus meiner Sicht die gesamte Systemauslegung nicht gut gemacht.
Sicherlich muss der Abtrieb am Heckfoil durch mehr Lift am Mainfoil wieder kompensiert werden, damit man in Summe wieder bei der Gewichtskraft des Bootes ist, die definitiv konstant ist und sich nicht ändert. Diese minimal höhere erforderliche Auftriebskraft am Mainfoil ändert nichts wesentlich am oben betrachteten / durchgerechneten Kräftegleichgewichtssystem. Es geht hier immer noch um eine realitätsnahe Betrachtung und nicht um eine auf drei Nachkomastellen genaue Optimierungsaufgabe. Jedenfalls nicht in dem aktuellen Stadium des Projekts.

ok, der nächste Schritt ist ein Rechenmodell aufzustellen, wie aus der benötigten Querkraft und Bootsgeschwindigkeit bei vorgegebener Segelfläche und dessen Anstellwinkel die scheinbare Windgeschwindigkeit bzw. wahre Windrichtung und wahre Windgeschwindigkeit sein muss.
Dann man los Patrick!!!

Ich weiß, dass du da auf dem Gebiet einiges gemacht hast und auch voraus bist. Eine genaue VPP ist für mich momentan noch nicht erforderlich. Für mich reichen gröbere Abschätzung ob entsprechende Segelkräfte realistisch zu erreichen sind unter entsprechenden Bedingungen. Den Rest macht dann der Praxistest. Ferner lassen sich am Modell entsprechende Daten auch nur schwer ermitteln und aufzeichne mit vertretbaren Aufwand und so alles zu verifizieren. Daher bringt mir das aktuell keinen wirklichen Mehrgewinn.

 

[Shark_PS]

Moin Johannes,

Hallo zusammen,
toller Input hier vielen Dank .
Ich will ja jetzt hier nicht rumunken aber wenn ich mich nicht verrechnet habe ist die Rumpfgeschwindigkeit ca. 1,7m/s
Ich glaube ihr braucht ein Wunder oder größere Foils!
Schöne Grüße
Johannes

nein, das passt mit der Rumpfgeschwindigkeit, die du da ausgerechnet hast. Die Rumpfgeschwindigkeit stellt aber keine feste Barriere da, die nicht überschritten werden kann. Gerade im Modell ist dieses aufgrund der prinzipiellen Übertakelung bei Performance orientierten Booten (Regattabooten) häufiger der Fall. Eine RG z.B. segelt bei guten A-Rigg Bedingungen am Wind immer mit Rumpfgeschwindigkeit und auf allen anderen Kursen dann schneller. Bei mehr Wind geht es auch am Wind über die Rumpfgeschwindigkeit.
Von daher sehe ich das prinzipiell für diesen Fall erstmal unkritisch, dass der entsprechende Take-Off Speed erreicht wird, solange genug Stabilität / Anfangsstabilität vorhanden ist. Das kann ich aber momentan noch nicht abschätzen. Etwas größere Foils können aber prinzipiell für den Anfang nicht schaden ..., dass sehe ich genauso.