Quando parliamo di sistemi di propulsione marina, ci riferiamo normalmente ad eliche immerse convenzionali, essendo questi i sistemi più comuni e universalmente conosciuti per questo tipo di impiego.

Un sistema convenzionale come questo, se ben progettato, permette una buona performance per velocità sino a circa 35 nodi e in alcuni rari casi fino a 40 nodi.

La tecnologia per muoversi nell’ambito delle velocità oltre quaranti, cinquanta, sessanta e più nodi è oggi disponibile e collaudata.
Il sistema convenzionale ad eliche immerse è stato superato dallo sviluppo dei sistemi di trasmissione di superficie (surface drive systems) specialmente dagli Arneson Drives, i primi sistemi articolati di superficie rilasciati sul mercato nei primi anni 80.

Arneson Surface Drives (ASD) furono originariamente sviluppati come “giocattolo veloce” per il suo inventore Mr. Howard Arneson visitate: www.howardarneson.com.

Il sistema di propulsione di superficie Arneson ha superato nel corso degli anni un’evoluzione di problematiche tecniche con il risultato finale di un sistema molto affidabile utilizzato nei più diversi campi di applicazione dal militare, commerciale al diporto.

La creazione del sistema di trasmissione di superficie Arneson iniziò come un passatempo per l’inventore Howard Arneson.

H. Arneson passò più di tre anni a sviluppare il sistema di azionamente che venne poi introdotto nel 1980. Iniziò con una configurazione a trasmissione di superficie fissa (albero elica fisso), e anche se l’idea di base funzionò, era impossibile regolare l’assetto dell’imbarcazione durante la marcia.

Howard Arneson non riusciva a trovare l’assetto ottimale dell’imbarcazione per le varie condizioni di velocità e di mare ed inoltre aveva bisogno di timoni per dirigere.

Dopo aver cambiato diverse volte l’angolo di inclinazione dell’albero elica, pensò che se poteva sviluppare un sistema di assetto (di regolazione dell’inclinazione dell’albero elica), sarebbe stato sulla giusta strada. L’elemento chiave dell’invenzione di H.Arneson fu l’utilizzo di un giunto sferico accoppiato con un giunto omocinetico che permetteva all’operatore di cambiare l’angolo di inclinazione dell’asse elica e raggiungere l’assetto ottimale desiderato.

La configurazione definitiva delle trasmissioni di superficie Arneson fu realizzata nel 1979 e i primi modelli vennero costruiti e testati nei primi anni 1980.
Poco dopo questo periodo iniziò la produzione su modelli piccoli che oggi vengono chiamati ASD 6.
Inizialmente testati su diverse applicazioni di corsa, Arneson Surface Drives divennero immediatamente sinonimo di successo in una serie di circuiti di corsa. Al loro debutto Arneson Surface Drives di serie permisero la vittoria di due edizioni consecutive della più famosa gara offshore Americana dell’epoca la Miami-Nassau-Miami. Fecero poi seguito campionati mondiali offshore classe 1. ( Steve Curtiss, Cougar Cat, 1988, Howard Arneson, 1983 e 1984 )

Dall’inizio della loro produzione nel 1980 Arneson Surface Drives hanno equipaggiato molte imbarcazioni veloci tra cui catamarani con velocità superiori ai 150 mph.

Skater 46′ 1×4500 hp turbina a gas textron Ly coming accoppiata a Arneson ASD10L velocità oltre i 50 nodi
Da quel momento sono stati prodotti migliaia di ASD e ASD è diventato il sistema di trasmissione di superficie più popolare e utilizzato al mondo.

Nel 1992 Twin Disc Inc., una delle maggiori Società nel campo della propulsione marina, acquisi i diritti di produzione e distribuzione degli ASD. Da allora lo sviluppo di ASD di diverse dimensioni ha permesso un grande range di applicazioni nell’industria navale e oggi, la Twin Disc offre nove diversi dimensioni di modelli (in linea) per motori a gas, diesel e turbine fino a 10,000 Hp.

Oggi, Twin Disc Arneson Surface Drives vengono utilizzati in tutto il mondo come opzione per tanti costruzioni di imbarcazioni da diporto. I Designer stanno riconoscendo i tanti vantaggi offerti dall’uso di ASD e stanno inserendo il disegno di queste unità in nuove applicazioni.

Più di 20 Agenzie Governative in tutto il mondo hanno riconosciuto i molti vantaggi di ASD e hanno costruito pattugliatori ed altre imbarcazioni che utilizzano ASD così come applicazioni  da piccole barche da lavoro a grandi traghetti veloci.

Twin Disc Arneson Surface Drives sono tra i più efficienti sistemi di propulsione marina esistenti sul mercato.
Sono stati disegnati per risolvere alcuni dei problemi connessi ai sistemi ad assi convenzionali installati su imbarcazioni con velocità superiori ai 35 nodi., problemi dovuti sia all’installazione dei sistemi convenzionali stessi che ad aspetti fisici derivanti. Di seguito alcune spiegazioni tecniche su come ASD permette di superare i limiti delle linee d’asse convenzionali.

La progettazione e la selezione di eliche tradizionali consiste quasi sempre nel determinare il diametro massimo dell’elica rispetto ad alcuni altri parametri che invece ne limitano la dimensione come per esempio l’inclinazione della linea d’asse. Questo mentre la teoria di base ci dice che per una determinata velocità e spinta più l’elica è grande più è efficiente.

La distanza del vertice della pala dallo scafo, il massimo pescaggio dell’imbarcazione, il posizionamento dei motori sono altri elementi che tendono al limitare il diametro massimo realizzabile dell’elica a qualcosa che è notevolmente minore della dimensione ottimale. Il diametro dell’elica è semplicemente il più grande possibile compatibilmente ai vincoli esposti in precedenza molto spesso a scapito dell’efficienza propulsiva. Oppure, se questi limiti geometrici al diametro dell’elica vengono superati, il risultato può essere una vibrazione eccessiva e danni dovuti ad una scarsa distanza della estremità delle pale dallo scafo, oppure inclinazioni di asse troppo marcate con importante perdita di efficienza e resistenze parassite addizionali.

L’elica di superficie, installata con un sistema di propulsione articolata di superficie ASD , libera il progettista da queste limitazioni. Non esiste virtualmente limite tecnico alle dimensioni di elica selezionabile. Il progettista è in grado di utilizzare un rapporto di riduzione più basso ed un’elica più grande in diametro e più efficiente.

Quando una pala di elica sommersa è in cavitazione, la pressione su parte di una pala diventa così bassa che forma un vuoto. Quando questo fenomeno di cavitazione collassa, l’acqua ha un impatto di pressione locale singolare sulla superficie della pala. L’effetto può essere simile a quello di un colpo a martello sulla pala ad ogni giro. La cavitazione è una delle maggiori sorgenti per danni all’elica, di vibrazione, rumore e perdita di prestazione. E anche se eliche ad alta velocità sono spesso disegnate per operare in modo parzialmente cavitante (trans cavitante) o a completa cavitazione (super cavitante), i problemi associati al fenomeno della cavitazione sono spesso un fattore limitante nella progettazione e selezione dell’elica ottimale.

L’elica di superficie, per il modo di funzionamento e la propria stessa forma, elimina in effetti la cavitazione rimpiazzandola con la ventilazione dell’aria. Ad ogni giro la pala dell’elica spinge una bolla d’aria in quello che altrimenti sarebbe l’area di cavità vuota. L’effetto della spinta dell’acqua che avviene quando una cavità vuota colassa è quasi completamente smorzato dall’aria così introdotta. Dato che il flusso sopra una pala di elica superventilante ha una somiglianza superficiale con quello sopra una supercavitante, la vibrazione, l’erosione di superficie e il rumore subacqueo sono assenti.

Timoni, assi, supporti esterni, cavalletto dell’asse e mozzi dell’elica contribuiscono ad aumentare la resistenza all’avanzamento dello scafo. Assi inclinati esposti non solo producono resistenza di forma e di attrito, ma inducono anche resistenza associata con un effetto di sollevamento causato dalla loro stessa rotazione.

Notoriamente l’attrito aumenta con il quadrato della velocità. Per velocità oltre i 35 nodi, la resistenza indotta dalle appendici di una linea d’asse convenzionale diventa rilevante e una considerevole parte della resistanza all’avanzamento dello scafo.

Mentre per velocità oltre i 35 nodi questo diventa un problema associato ai sistemi convenzionali, le eliche di superficie eliminano virtualmente le resistenze delle parti immerse in quanto le sole superfici in contatto con l’acqua sono le pale dell’elica e le pinne para elica.

La capacità di regolare l’assetto in alto e/o in basso (posizione dell’elica nel piano verticale) è ottenuto attraverso un cilindro idraulico chiamato “cilindro di assetto” (“trim cylinder”). La possibilità di regolare l’assetto verticale dell’ Arneson Surface Drives permette di variare l’immersione dell’elica e di equiparrarne la potenza assorbita con quella rilasciata dal motore. In questo modo viene convertita più potenza in spinta, mentre il motore lavora più vicino oppure in prossimitàdella curva di potenza nominale.

Con un sistema articolato come l’Arneson Surface Drives l’immersione dell’elica può essere regolata mentre l’imbarcazione è in navigazione, permettendo così la selezione dell’angolo di spinta ottimale per diversi condizioni di dislocamento e di mare.

Il controllo e la riposta del sistema timoneria sono massimi quando il sistema utilizzato è ad elica direzionale. Diversamente dai sistemi convenzionali, in cui le eliche spingono acqua su un timone posteriore che ne devia il flusso provocando in modo indiretto la variazione di direzione dell’imbarcazione, l’Arneson Surface Drives permette di variare la direzione di spinta dell’elica portandola a coincidere con la direzione di movimento.

Per questo l’ ASD può girare con angolo di virata più stretto rispetto ad un sistema ad asse fisso con timone. Tests hanno dimostrato che il sistema ad elica direzionale ha un effetto doppio rispetto all’effetto di eliche con timoni. La manovrabilità è migliore ad ogni velocità. Il sistema di governo dell’imbarcazione equipaggiata con ASD è servo assistito mediante pompe di azionamento direttamente calettate sui motori. Per motivi di sicurezza si consiglia sempre l’installazione di una doppia pompa di governo.

Le trasmissioni di superficie sono erroneamente conosciute per la loro reputazione di scarsa capacità di manovra a marcia indietro.

Questo è dovuto principalmente ad una idea preconcetta derivante dalle prime applicazione storiche. Infatti le prime imbarcazioni munite di sistema di propulsione di superficie erano imbarcazioni ad alta velocità (p.es., le imbarcazinoi originali con ASD erano tutte barche da corsa). Le eliche progettate per queste alte velocità avevano una forma di pala estremamente efficiente per il raggiungimento della velocità massima, del tipo denominato “cleaver” (dalla forma del bordo di uscita tagliato a coltello con lama molto tagliete n.d.t.) ma conseguentemente inefficiente per eseguire la marcia indietro caratteristica d’altraparte non richiesta a questo tipo di imbarcazioni.

Le eliche utilizzate oggi in applicazioni diporto militare e commerciali hanno una forma completamente diversa ed appositamente studiata per l’impego. Nuovi disegni di pale (round tip) sono stati studiati e realizzati dai maggiori produttori di eliche .

Queste nuove forme insieme alla capacità del sistema Arneson di regolare verso il basso la trasmissione durante le operazioni di ormeggio e ad una appropriata forma dello scafo e della poppa, hanno permesso di migliorare notevolmente la manovrabilità nelle condizioni specificate rendendola almento equivalente a quella dei sistemi convenzionali.

Infatti diversamente dai sistemi di superficie ad asse fisso, l’Arneson Surface Drives può essere abbassato (regolazione di assetto) durante le manovre a bassa velocità e durante le fasi di marcia indietro e ormeggio permettendo all’elica di lavorare in acque più profonde e di evitare di indirizzare il flusso direttamente sullo specchio di poppa dell’imbarcazione.

1. 15-30% aumento di velocità rispetto a sistemi convenzionali
2. 15-30% aumento di efficienza carburante
3. Manovrabilità in acque poco profonde
4. Ridotta cavitazione
5. La più ampia selezione di eliche
6. Ridotta resistenza subacquea di appendica fino a 50%
7. Governo di spinta positivo – manovrabilità superiore
8. Semplicità di manutenzione – meno di 20 parti movibili
9. Poche esigenze di manutenzione
10. Maggiore flessibilità di dislocamento motori
11. Meno vibrazioni – Condizioni di lavoro più levigate

La selezione delle trasmissioni di superficie Arneson® è realizzata su specifica e può quindi essere finalizzata solo dopo l’analisi della propulsione elaborata dall’ufficio tecnico Twin Disc o dai suoi rappresentanti autorizzati.

Il modulo per lo studio dell’applicazione “Application Worksheet”, debitamente compilato, unitamente ad ogni altro eventuale dato rilevante dell’imbarcazione, come il disegno del piano di costruzione, devono essere forniti all’ufficio tecnico Twin Disc o ai suoi rappresentanti autorizzati per effettuare l’analisi della propulsione.

Come indicazione generale Arneson Surface Drives Application Analysis, un software sviluppato in collaborazione con ROLLA SP, leader mondiale nella produzione di eliche di superficie
(www.rolla-propellers.ch), può essere utilizzato per una selezione preliminare dell’unità ASD e per una stima della velocità massima potenzialmente raggiungibile dall’imbarcazione.

Queste informazioni preliminari non sono sostitutive dei risultati generati dallo studio dell’applicazione e dell’analisi della propulsione.
Ogni applicazione deve comunque essere approvata da Twin Disc Marine Propulsion Groups.

Le collaudate prestazioni e l’affidabilità delle trasmissioni Arneson sono disponibile per tutte le imbarcazioni da 30 a 200 piedi.

Due versioni, In-line & drop box, diciotto modelli (ASD 6 fino a ASD 18) fanno di Arneson Surface Drives un sistema adatto per la maggior parte degli scafi plananti e potenze motori.

La navigazione veloce con Arneson Surface Drives è molto più semplice di quanto comunemente si pensi dato che l’ ASD si comporta come un incrocio tra un fuori bordo ed un asse convenzionale.

I “neofiti” devono solo tener conto di alcune raccomandazioni, di seguito riportate, per ottenere il meglio dall’aggiuntiva possibilità offerta dal trim (regolazione di assetto) del sistema Arneson.

Le trasmissioni di superficie sono erroneamente conosciute per la loro reputazione di scarsa capacità di di manovra a marcia indietro.

Questo è dovuto principalmente ad una idea preconcetta derivante dalle prime applicazione storiche. Infatti le prime imbarcazioni munite di sistema di propulsione di superficie erano imbarcazioni ad alta velocità (p.es., le imbarcazinoi originali con ASD erano tutte barche da corsa). Le eliche progettate per queste alte velocità avevano una forma di pala estremamente efficiente per il raggiungimento della velocità massima, del tipo denominato “cleaver” (dalla forma del bordo di uscita tagliato a coltello con lama molto tagliete n.d.t.) ma conseguentemente inefficiente per eseguire la marcia indietro caratteristica d’altraparte non richiesta a questo tipo di imbarcazioni.

Le eliche utilizzate oggi in applicazioni diporto militare e commerciali hanno una forma completamente diversa ed appositamente studiata per l’impego. Nuovi disegni di pale (round tip) sono stati studiati e realizzati dai maggiori produttori di eliche .

Queste nuove forme insieme alla capacità del sistema Arneson di regolare verso il basso la trasmissione durante le operazioni di ormeggio e ad una appropriata forma dello scafo e della poppa, hanno permesso di migliorare notevolmente la manovrabilità nelle condizioni specificate rendendola almento equivalente a quella dei sistemi convenzionali.

Infatti, diversamente da sistemi di superficie ad asse fisso che dirigono l’intera corrente di regresso contro lo speccio di poppa dell’imbarcazione, l’Arneson Surface Drives, il primo sistema articolato uscito sul mercato, può essere abbassato durante le manovre di ormeggio migliorando molto l’inversione di marcia.

La manovra di ormeggio è facilitata inclinando le trasmissioni ad un angolo corrispondente alla zona rossa evidenziata in figura 1. In questo modo che le eliche possano lavorare in acqua più profonda e il flusso dell’acqua non è diretto contro lo specchio di poppa. L’angolo esatto di azionamento dipende da diversi fattori tra cui angolo di diedro dello scafo, forma specchio di poppa, diametro eliche etc. e sono pertanto necessarie alcune prove ed un minimo di pratica per ottenere il giusto “feeling” con l’imbarcazione e la trasmissione.

Rimarrete sorpresi dal fatto che, a bassa velocità, i piccoli timoni ASD e le eliche producano la stessa presa sull’acqua caratteristica delle linee d’asse convenzionale

La maggior parte delle imbarcazioni, soprattutto quelle con bassa potenza installata rispetto al dislocamento, sono soggette a problemi nel superamento del regime di transizione tra dislocante e planante comunemente denominato “Hump Speed”. Alta resistenza a velocità pre planante, alto regresso dell’elica e una ridotta coppia del motore a bassi regimi può a volte rendere difficile il raggiungimento della velocità di sollevamento (planata). Con i sistemi di propulsione di superficie esiste un ulteriore fattore che può aggravare la situazione. In effetti l’elica è progettata per operare con solo metà dell’area della pala immersa, ma a bassa velocità, prima che lo specchio di poppa si sollevi o “si asciughi”, l’elica deve operare completamente immersa. Il risultato è la necessità di molta più coppia per far girare l’elica ad un dato RPM (giri al minuto) e a volte il motore non è capace di produrre la coppia necessaria per far girare l’elica abbastanza velocemente e portare la barca alla velocità che permette allo specchio di poppa di sollevarsi e scaricare così la metà superiore dell’elica..

Per ridurre questo potenziale problema i progettisti e i costruttori di barche in collaborazione con Twin Disc Application Depts. e i maggiori costruttori di eliche, devono essere particolarmente diligenti nel verificare il dislocamento dell’imbarcazione, la posizione del centro di gravità e la selezione di un rapporto di riduzione da utilizzare all’invertitore per ottenere il miglior compromesso tra velocità massima e la capacità di “sollevamento” planata. Rapporti di riduzione più bassi e perciò diametri di eliche più grandi possono aiutare a superare questo problema.

Arneson Surface Drives, non avendo limiti geometrici per quanto riguarda il diametro dell’elica, liberano il progettista da restrizioni. Non esiste virtualmente nessun limite tecnico al dimensionamento del diametro dell’elica. Il progettista è quindi in grado di selezionare il rapporto di riduzione ottimale e l’elica più grande e più efficiente.

Inoltre uno dei vantaggi della capacità di regolare l’assetto verticale (trim) degli Arneson è la capacità di riuscire a planare in maniera efficace. Con il posizionamento in basso dell’ ASD, nell’area rossa come nel disegno 1, si ottiene l’effetto cosiddetto “bow down attitude” (= prua bassa) (freccia blu). Le forze di spinta generate dalle eliche superano nettamente il centro dinamico della pressione e il centro di gravità, facendo sì che la parte a prua della barca stia più vicina alla superficie dell’acqua, rendendo così più facile il raggiungimento della velocità di sollevamento (planata). Gli azionamenti rimangono in questa posizione finchè la barca non supera l’ostacolo derivante dalla transizione dislocante planante (massima resistenza all’avanzamento dello) e poi vengono assettati per una prestazione ottimale.

Se il motore risulta essere sovracarico (per i motivi specificati prima o a causa di carichi occasionali superiori) potrebbe essere necessario regolare l’assetto degli Arneson Drives in alto per ridurre il carico dell’elica (scaricamento della metà superiore dell’elica). Quando il motore inizia ad aumentare i giri RPM, l’assetto dell’ASD può essere regolato in basso per ottenere la “bow down attitude” (prua bassa) e riuscire a planare velocemente e semplicemente.

L’accelerazione con Arneson Surface Drives è incredibile!!! Provare per credere

Una volta raggiunte le condizioni di planata la posizione di assetto dipende da fattori diversi.
Quando il dislocamento della barca corrisponde al dislocamento di progetto, la posizione di assetto deve essere intorno allo “zero” sull’indicatore di assetto (figura 2). Con questa posizione di azionamento i motori devono raggiungere il massimo rpm e la massima prestazione delle barche.
Abbiamo notato su una serie di applicazioni che quando l’assetto dell’ASD è regolato in posizione ottimate di alta velocità e lasciato in questa posizione, la barca non raggiunge la massima potenziale velocità.
Può pertanto essere necessario regolare l’assetto dell’ ASD in alto (figura 3), permettendo così all’elica di trasformare più potenza del motore in spinta. Si può così ottenere un aumento di velocità del 7-8%.
Questo è essenzialmente dovuto alla configurazione dello scafo, che è particolare per ogni singola applicazione.
La configurazione dello scafo può richiedere infatti alcuni gradi di assetto (trim verso l’alto) per ridurrre la superficie bagnata e raggiungere così la prestazione di velocità massima. Bisogna fare attenzione a non sollevare eccessivamente le trasmissioni altrimenti si rischia di scaricare eceessivamente l’elica riducendo la spinta.

La posizione effettiva dipende dall’imbarcazione e da altri fattori esterni e deve essere raggiunta attraverso l’esperienza. Tuttavia, normalmente la posizione è all’interno dell’area gialla di figura 3.

Con le trasmissioni di superficie Arneson è anche possibile ridurre la velocità della barca mantenendo la planata. Abbassando le eliche (trim), sempre mantenendosi all’interno dell’area rossa di figura 2, si può aumentanre il range di velocità intermedie. Generalmente le trasmissioni si abbassano a velocità basse di planata e si alzano a velocità più alte di planata.

Quando il dislocamento della barca supera il dislocamento progettato (all’inizio della crociera con serbatoi pieni per esempio) l’assetto dell’ASD dovrà essere regolato di alcuni gradi più in alto per ridurre la coppia assorbita dall’elica. La possibilità di regolazione di assetto dell’ ASD è in qualche modo analogo alla regolazione del passo di un’elica a passo variabile. Il motore può così lavorare più vicino alla sua curva di potenza nominale.

L’assetto può essere utilizzato anche per far fronte a diverse condizioni di mare. Gli Arneson Surface Drives hanno sempre dimostrato una capacità superiore di tenuta di mare grazie alla possibilità di regolazione d’assetto.