WindGear by Joern Heinrich, mechanical selfsteering for sail yachts
WindGear by Joern Heinrich - servo pendulum selfsteer INNOVATION: Aktive Gierdämpfung

Bis auf den Ausgleich großer Luvgierigkeit sind für eine herkömmliche Pendelruderanlage Amwind- sowie Halbwindkurse eher unproblematisch. Der seitliche Versatz durch hohe Seen auf Halbwindkurs wird durch den seitlichen Druck aufs Servoruder und die dadurch ausgelöste schnelle, dem seitlichen Versatz proportionale Gegenbewegung des Hauptruders ausgeglichen. Das ist die inhärente Gierdämpfung des Pendel-Servorudersystems, welches es auf dem Halbwindkurs einem elektrischen Autopiloten weit überlegen macht wegen der schnellen, kräftigen Ruderkorrektur unter welligen Bedingungen. Diese positive Eigenschaft haben alle Servo-Pendelrudersysteme - egal, welche Übertragungsmechanik sie verwenden, ob Kegelräder, Hebelgestänge, Seilzüge, denn diese Art der Gierdämpfung in seitlicher Welle würde auch ohne eine Verbindung zur Windfahne allein durch die Kopplung des Servoruders an das Hauptruder ausgelöst.
Es finden sich jedoch Berichte (1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9(Post#17) ,) über Schwächen unter Wind und Welle aus dem achterlichen Quadranten. Berichtet wird von Gierwinkeln auf Raumschotkurs von Halbwind bis kurz vor die Patenthalse: bis +/- 45° Gierwinkel. Bisher gibt es kaum eine Dokumentation, die die die genaue(n) Ursache(n) dafür beschreibt:

Was bewirkt eine seitliche Rollbewegung um die Schiffslängsachse, und welchen Steuerimpuls erteilt diese Rollbewegung der Yacht?
Gesetzt den Fall, eine Yacht läuft genau vor dem Wind, mit Dünung von Backbord raumschots. Eine Welle hebt das Schiff backbords achtern an, es kommt zu einer Rollbewegung auf die Steuerbordseite (noch läuft das Schiff geradeaus). Die Windfahne verharrt wegen ihrer Massenträgheit jedoch vertikal. Der Windfahnenmast neigt sich unter der massenträge vertikal verharrenden Windfahne zur Steuerbord-Seite - weil ja fest mit dem Schiff verbunden. Diese Relativbewegung von Windfahne zu Windfahnenmast jedoch dreht das Servoruder so, dass eine Kurskorrektur zur Backbordseite(!) hin eingeleitet wird, also parallel zur Wellenfront. Folge:
Die Selbststeueranlage verstärkt die anfängliche Rollbewegung durch einen falschen Steuerimpuls quer zur Welle, das Schiff neigt sich nochmehr zur Steuerbordseite hin, und leitet die für die H-Windfahnen typische Gierbewegung parallel zur Welle, nach backbord ein. Diese Gierbewegung geht soweit, bis die Windfahne genügend Seitenwind von BB erhält, um den Kurs nach Steuerbord zu korrigieren.

Vergleichsmessungen mit einem einfachen Pinnenpiloten (Simrad TP22) im Fluxgate-Kompassmodus belegen, dass dieser auf achterlichem Kurs hinsichtlich der Gierbewegungen einer normalen Servo-Pendelruder-Windselbststeueranalage je nach Bedingungen - überlegen sein kann, die Zahlen der weltweit verkauften Systeme sprechen diesbezüglich ebenfalls für sich.

Das Problem kann einerseits durch die Verwendung einer stärker gegen die horizontale geneigten - und damit für den Einfluß einer Rollbewegung unempfindlicheren Windfahne gelöst werden. Die "alte" Vertikal-Windfahne ist gar nicht rollempfindlich, weil eine Rollbewegung keinen Einfluß auf die Lage der Windfahne zu ihrer Halterung hat. Die USD-Windfahne von Jan Alkema weist in ihrer Konstruktion in gleiche Richtung zielende Eigenschaft auf: Sie ist viel stärker gegen die Horizontale geneigt, als die herkömmlichen nach oben zeigenden Windfahnen mit ihrer 20°-Neigung.

Die innovative Idee zur grundsätzlichen Lösung jedoch ist eine aktive Roll- und Gierdämpfung (YDG):
Die Gierdämpfungsmechanik der WindGear-Anlage (YDG, Patente angemeldet), bewirkt, dass einerseits die Massenträgheit der Windfahne schon im Ansatz der Rollbewegung überwunden wird, und durch eine lageabhängige (krängungsabhängige) Steuerung direkt am Servoruder überlagert wird. Damit erreicht man, dass der Rollbewegung direkt übers Servoruder und damit über das Hauptruder nahezu verzögerungsfrei entgegengewirkt wird. Die Yacht legt in dem Moment Gegenruder, wenn sie sich zur Seite neigt, und zwar nicht quer, sondern senkrecht zur Welle: Je größer die Rollbewegung, desto größer das Gegenruder.

Das Resultat ist, dass eine Yacht unter dieser Steuerung weitaus weniger giert, auch bei starken Rollbewegungen in seitlich achterlicher Welle. Die Gierdämpfungsmechanik der WindGear-Anlage ist über Leinenzug aus dem Cockpit oder Deckshaus stufenlos ein- und auskuppelbar, so dass man die Größe der lageabhängigen im Verhältnis zur windabhängigen Steuerung den aktuellen Seebedingungen anpassen kann. Die Gierdämpfungsmechanik wird nur eingekuppelt auf achterlichen bis raumen Kursen.

Zur Entstehung der Idee:

So eine Erfindung entsteht nicht auf der grünen Schreibtischauflage eines Unternehmens, für welches die Auslastung seiner kapitalintensiven CNC-Maschinen, Messetermine und die Margenmaximierung ein Zwangskorsett wurde: Beibehaltung der einmal für alle Zeiten in teure Massenproduktions-Alu-Gussformen gemeißelten Dimensionen mit Marke drauf. Mit zugegeben smarterer Optik.
Nein, soetwas entsteht in einer ölfleckigen Kladde, in der Schrauberbude, spät abends. Wenn sinnierend, mit der am selben Tag absolvierten downwind-Segelei im Hinterkopf, was denn nun hier wie zusammenhängt, die Anlage am Werktisch zur Seite gekippt wird. Was macht die Windfahne, und wie wird sie nun das Boot steuern? Auf achterlichem Kurs? Wenn's dann "Klick" macht, die stabile stählerne Anlage losgelassen in die Vertikale zurück auf den Werktisch knallt, und der Dr.Schrauber schnell eine bananenförmige Kinderschaukel mit Kugeln darauf in seine Kladde malt, dann war das zunächst nur die Grundlage einer Innovation.
Die Verifikation

So ein Geistesblitz trifft einen ja nun nicht alle Tage, und mit Kribbeln im Bauch kam der Protoyp der Mechanik im Mai-Juni 2010 in die Erprobung (Im Herbst 2010 erfolgten Starkwindtests), begleitet von Messungen und Videos. Zugute kam der schnellen Entwicklung, dass das offene Konzept der WindGear-Anlage solche Modifikation ganz zwanglos und ohne jegliche Verrenkung möglich macht.
Das Ergebnis stimmt enthusiastisch:
Giert die Yacht in raumer Welle unter der schon auf 35° und damit gierunempfindlichst eingestellten Windfahne maximal +/-35°, so reduziert sich die Gierbewegung bei Einkuppeln der aktiven Gierdämpfungsmechanik auf beinahe ein Drittel: maximal +/-12°, bei gleicher Rollbewegung (vid).
Unter Verwendung der Gierdämpfungsmechanik wurden in der Saison 2010 nahezu 800 sm Testfahrten absolviert, von Bft1 bis Bft7. Ihre größte Wirkung entfaltet sie bei nachlassendem Wind (Bft 5...2) und hoher raumer Dünung, wenn die Gierbewegungen am stärksten sind. Ab Bft 6 ist die kontrollierende Wirkung der Windfahne durch Winddruck stärker als die lageabhängige Gierdämpfung. Damit wirkt letztere bei Starkwind nur noch limitierend auf den Windfahnen- Servoruder- und Ruderausschlag. Der damit auf einen für die aktuellen Bedingungen passenden Steuer-Trimm der WindGear-Anlage per Leinenzug stufenlos und fein einstellbar ist.