America’s Cup

Technik verständlich 3: Hydraulikantrieb und Autolenkräder

Die Energieerzeugung für die Hydrauliksysteme und deren Steuerung hat gewaltige Fortschritte gemacht – auch dank Automobiltechnologie

Lars Bolle am 20.05.2017
AC Technik
Land Rover BAR/Harry KH

Gesteuert wird ein moderner AC-Katamaran traditionell über die Ruder. Diese sind mit dem Steuerrad verbunden. Doch neben der reinen Richtung muss der Steuermann auch die Flughöhe, -lage und -stabilität des Kats regulieren. Das erfolgt via Knopfdruck oder andere Eingabemöglichkeiten am Rad. Diese senden Signale an die Steuerventile der Hydraulik, die dann die Foils entsprechend verstellt (siehe Artikel Foil-Mechanik).

So lässt sich etwa einstellen, dass einmal Drücken eine Winkeländerung von einem halben Grad bedeutet. Dieses Signal wird an das Ventil übermittelt und elektronisch gesteuert, wie lange es geöffnet sein muss, bis ein halbes Grad erreicht ist. Die vertikale Steuerung des Kats erfolgt also bei einigen Teams digital.

AC- Technik

Das Steuerrad von Oracle Team USA mit integrierten Drehgriffen

Verschiedene Teams berichteten von 120 bis 200 Eingaben des Steuermannes pro Minute, Team Land Rover BAR berichtet von 1200 während eines 20-minütigen Rennens. Diese schrittweise Verstellung ist eine Vereinfachung für den Steuermann. Würde sie analog erfolgen, sich also der Anstellwinkel so lange verändern, wie der Steuermann die Taste gedrückt hält, müsste er über Anzeigen optisch kontrollieren, wann die gewünschte Stellung erreicht ist. Das würde ihn ablenken, zumal die Schnelligkeit der Verstellung auch davon abhängt, wie schnell der Kat ist, also wie viel Druck an den Foils herrscht und wie viel Druck im Hydrauliksystem vorliegt.

Land Rover BAR Technologie

Das Steuerrad von Land Rover BAR mit integrierten Schaltwippen

Bei dieser "Ruckelmethode" kann er dagegen die Eingaben zählen und daraus Rückschlüsse auf den Anstellwinkel ziehen. Dieses System hatte beim vergangenen Cup Oracle Racing eingeführt und sich damit einen großen Vorteil gesichert.

Story zur Entstehung des Land Rover BAR Rades

Allerdings hat nun wiederum Oracle Team USA Bilder und Videos seines Rades veröffentlicht, das über zwei Drehgriffe wie bei Motorrädern verfügt. Nach eigenen Angaben könne damit Steuermann Spithill eben doch analog steuern. Solange er den Griff nach vorn dreht, sinkt der Kat, dreht er nach hinten, steigt er. Es könnte sich aber auch bei dieser Variante um eine "Ruckelmethode" handeln, nur dass Spithill dafür nicht Knöpfe drücken muss, sondern entsprechend für eine bestimmte Gradverstellung der Foils dreht.

Steuermann Jimmy Spithill, Oracle Team USA, erklärt sein Steuerrad mit Motorradgriffen

Land Rover BAR hat dafür auch aus dem Kraftfahrzeugbereich entlehnte Schaltwippen ins Rad integriert, die sich sogar bei ändernden Griffvarianten des Steuermannes bedienen lassen.

America's Cup Technik

Radaufhängung an einem Oracle-Prototypen

Wie die Übertragung der Signale an die Foil-Ventile bei den Teams jeweils genau gelöst ist, wird streng geheim gehalten.

Nicht erlaubt ist jedoch eine computergestützte Steuerung sowie eine elektronische Rückmeldung an den Steuermann über die Foilstellung.

Hydraulik – Kraft aus Armen oder Beinen

Alle Energie für die mechanischen Systeme an Bord muss auch an Bord erzeugt werden. Diese Systeme werden mittels Hydraulik betrieben. Außer den Neuseeländern benutzen alle Teams dafür jeweils zwei Grinder, an denen bis zu vier Mann kurbeln. Die Neuseeländer haben dagegen vier Pedalsysteme in jedem Rumpf integriert. Statt mit den Armen wird bei ihnen also mit den Beinen gekurbelt.

America's Cup Technik

Blick ins Cockpit eines Oracle-Prototypen

Bei beiden Systemen treibt die Rotation aus Grindern oder Pedalen Hydraulikpumpen an, die für den erforderlichen Druck auf überall verteilte Hydraulikzylinder sorgen. Diese Zylinder verstellen entweder direkt oder über Leinenverbindungen die einzelnen Komponenten.

Nur drei Energiespeicher für Hydraulikdruck sind erlaubt: jeweils einer für den Anstellwinkel der Schwerter sowie einer, um die Schwerter nach oben oder unten zu bewegen. Diese Speicher sind ein Zugeständnis an die Wettkampfdynamik. Gerade in den Manövern wird ein Maximum an Hydraulikdruck benötigt, weil am meisten verstellt wird. Da die Crew aber die Rumpfseiten wechseln muss und dabei zeitweise nicht kurbeln kann, stünde in diesen wichtigen Phasen nicht ausreichend Druck zur Verfügung, Powerwenden komplett auf Foils wären wohl kaum möglich.

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Jedes Team müsste sich dann also überlegen, ob es sich eine Wende leisten kann oder nicht. Mit teilweise gespeicherter Energie wird dieses Problem hingegen entschärft. Dennoch müssen nach jedem Manöver die Energiespeicher aufgefüllt werden.

Je nachdem, wie viel Energie das Team erzeugen kann und wie viel Energie die Verstellsysteme benötigen, ist diese ein limitierender Faktor für das Manövrierverhalten. Etwa, wie viele Wenden hintereinander gefahren oder wie häufig die Foils via Feineinstellung bedient werden können.

Mit ihrem beinbetriebenen Pedalsystem können die Neuseeländer etwa 40 Prozent mehr Energie erzeugen als die anderen Teams mit den Armen. Zudem ist die Position der Crewmitglieder angeblich aerodynamisch günstiger als bei stehenden Grindern.

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Dafür dauert das Einnehmen dieser Position beziehungsweise das Wechseln etwas länger, die Crew ist also weniger agil. Wobei sich dieser Nachteil bei den ersten Trainingsfahrten vor Bermuda kaum bemerkbar machte. In Manövern wechseln immer nur zwei "Radfahrer" gleichzeitig die Position auf die andere Rumpfseite. Die beiden anderen bleiben sitzen und können so während des Manövers so viel Kraft erzeugen wie drei Mann an den Grindern der anderen Teams.

Bei diesen wechseln häufig drei Mann zugleich die Seite. Sie sind zwar schneller wieder in Position, als wenn sie von Rädern ab- und auf sie aufsteigen müssten, dafür bleibt bei den Neuseeländern eben einer mehr sitzen. Der Vorteil bei den Neuseeländern ist, dass sie so eine permanente Druckerzeugung sicherstellen. Dafür haben sie nach dem Manöver länger einen Mann mehr in Lee sitzen.

Beim Verteidiger wurde vor zwei Tagen eine neue Installation entdeckt, ein Fahrrad hinter dem Steuermann. Damit sind die Neuseeländer nicht mehr die einzigen, die auf Radantrieb setzen. Allerdings hat diese Änderung bei Oracle Team USA vermutlich andere Hintergründe als bei den Neuseeländern.

Jedoch ist die höhere Energiebereitstellung nur ein Grund, weshalb die Neuseeländer auf Fahrräder setzen. Bei ihnen sind die Funktionen Steuermann und Foiltrimmer zumindest zeitweise geteilt. Während bei allen anderen Teams der Steuermann zugleich die Richtung des Kats wie auch die Fluglage unterschiedliche Bediensysteme am Rad einstellt, ist bei den Neuseeländern Steuermann Peter Burling vor allem nur für das Steuern zuständig. Die Foil-Verstellung übernimmt über weite Strecken sein ehemaliger 49er-Vorschoter Blair Tuke, der auf dem vordersten Rad, direkt über dem Foil, sitzt. Da er dafür freie Hände benötigt, die er an einem Grinder nicht hätte, war dies ein weiterer Grund für die Neuseeländer, die Crew auf Räder zu bringen. Allerdings verlangt diese Aufgabenteilung eine extrem gute Abstimmung beider Aktiver, die so nur bei Burling/Tuke durch ihre gemeinsamen 49er-Jahre gegeben ist.

Beim Verteidiger Oracle Team USA ist Steuermann Jimmy Spithill für beides, Kurs und Fluglage, verantwortlich. Aber auch auf diesem Kat wurde zuletzt ein Fahrrad gesichtet, hinter dem Steuermann. Es dient offenbar vor allem dem Gewichtstrimm auf Vormwindstrecken. Dort ist es wichtig, das Gewicht achtern zu haben. Dieser Trimm kann zwar auch über eine entsprechende Verstellung der T-Foils am Ruder erreicht werden, jedoch erzeugt dies mehr Widerstand am Foil.

Auf dem Rad achtern sitzt Taktiker Tom Slingsby, der auf Amwindkursen jedoch an vierter Position von vorn wie gehabt am Grinder steht, weil es auf diesem Kurs besser ist, das Crewgewicht etwas weiter vorn zu haben.

Dass Slingsby achtern auf einem Rad sitzt, hat sehr wahrscheinlich weniger mit der erhöhten Kraft zu tun, die er per Pedal erzeugen kann, sondern vielmehr mit dem begrenzten Platz, der dort zur Verfügung steht. Ein Grinder würde mehr Raum beanspruchen als ein Rad.

Damit scheint Oracle Team USA nicht etwa den Pedalantrieb der Neuseeländer zu kopieren, sondern einfach eine neue Trimmvariante zu testen.

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Artikelstrecke Countdown zum America's Cup


Lars Bolle am 20.05.2017

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