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Diese
Erfindung betrifft ein Ausfahrtriebwerk für Segelflugzeuge.
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Solche
Triebwerke sind bereits bekannt und beispielsweise in der Zeitschritt
Aufwind (Verlag Horst Kropka, Bergweg 11, 87471 Bodelsberg), Ausgabe
5/2001, auf den Seiten 26 und 27 beschrieben und auch bildlich dargestellt.
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Der
Gedanke, in Flugzeugen wie oben beschrieben, einen Motor einzubauen,
entstand schon vor langer Zeit. Nachdem sich die Segelfliegerei
vom Hangfliegen in Richtung des thermischen Streckenfluges weiterentwickelt
hatte, wollten die damaligen Piloten das Risiko von Außenlandungen
mit dem damit verbundenen Zerlegen der Flugzeuge und anschließendem risikoreichen
Straßentransport
weiter reduzieren. Konstrukteure in England und der deutsche Segelflugpionier
Wolf Hirth hatten schon in den 50er Jahren genaue Vorstellungen
vom Wandersegelflug und der Auslegung eines motorisierten Segelflugzeuges.
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Die
ersten Motoren für
Segelflugzeuge waren überwiegend
sogenannte Flautenschieber oder Heimkehrhilfen mit relativ geringen
Steigleistungen. Moderne Motoren ermöglichten es dann, dass nur noch
die Luftschraube ausgeklappt wurde und der Motor mit Auspuffanlage
im Rumpf fest verblieb. Die Luftschrauben wurden durch zuverlässige Zahnriemen
angetrieben und entsprechend untersetzt. Die bekannten Klapptriebwerke
zeichnen sich durch einen Gehäuserahmen
aus, aus dem der Tragarm, an dessen Ende der Propeller sitzt, um
eine Schwenkachse herausgeschwenkt wird.
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Da
der Einbau der Klapptriebwerkseinheit in einem in der Regel aus
Gewichtsgründen
eher schwach dimensionierten Bereich der hinteren Rumpfröhre des
Segelflugzeugs erfolgt, müssen
bei den bisherigen Segelflugzeugen bzw. Modellsegelflugzeugen entsprechende
Verstärkungen
in der Rumpfröhre
vorgesehen werden. Darüber
hinaus sind bei den bisher bekannten Klapptriebwerken verhältnismäßig lange
Klappen im oberen Rumpfbereich notwendig. Die Länge der Klappen ist durch den
Verschwenkweg des Tragarmes samt Propeller beim Ausklappen des Klapptriebwerkes
bedingt. Die verhältnismäßig langen
Klappen im Rumpfrücken
führen zudem
zu einer enormen Schwächung
der gesamten Rumpfröhre
des Flugzeugs. Gemäß
DE 101 52 447 A1 wurde
versucht, die Klappenlänge
zu verringern, wobei der Antriebsarm für den Propeller verschwenkt wird
und die Verschwenkbewegung durch Kulissenführung im Antriebsarm und Seitenwandungen
des Rumpfes gewährleistet
wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht dann, ein Triebwerk für Segelflugzeuge
oder Modellsegelflugzeuge anzugeben, das noch kleinere Klappen im oberen
Rumpfrücken
des Flugzeuges erlaubt, so daß die
Stabilität
des gesamten Flugkörpers
erhöht
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Ausfahrtriebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung beruht im wesentlichen darauf, daß an Stelle des bisher üblichen
Verschwenkarms gemäß
DE 101 52 447 A1 ,
zwei Kulissensteine am Tragarm in mindestens einer Kulisse geführt werden, oder
zwei aufeinander abgestimmte Kulissenführungen vorzusehen sind, welche
es erlauben, den gesamten Tragarm über den gesamten Weg nach unten und
nach hinten einzufahren. Dieses wird in Kombination mit einem Einblatt-
oder Faltpropeller erreicht, der in Richtung Tragarm festgestellt
wird bzw. etwa parallel zum Tragarm gefaltet wird.
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Durch
dieses spezielle und Einfahren des Tragarmes über die gesamte Länge wird überraschenderweise
ein wesentlich kleinerer Klappenausschnitt am oberen Rumpfrücken erreicht.
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Durch
die vorzugsweise abgestimmte und gewölbte Kulissenführung ist
darauf zu achten, daß die
Wölbung
so angeordnet ist, daß die
Kulissensteine des Tragarmes im ausgefahrenen und eingefahrenen
Zustand eine Selbsthemmende Position finden. Dies hat zur Folge,
daß im
Kraftbetrieb die Schub/Zugvorrichtung für den Tragarm vorzugsweise nicht
mehr belastet wird. Diese Selbsthemmung bewirkt eine sehr gute Krafteinleitung
auf das Gehäuse. Das
Systemgewicht reduziert sich durch diese Maßnahme.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung weist das Ausfahrtriebwerk einen Gehäuserahmen mit zwei gegenüberliegenden
Seitenwänden
auf, die vorzugsweise eine möglichst
geschlossene Verbindung zeigen. Die Seitenwände weisen je zwei aufeinander
und auf den jeweiligen Flugzeugtyp abgestimmte, gewölbte und
vorzugsweise eingearbeitete Kulissenführungen auf. Der Tragarm hat
vorzugsweise je nur zwei Kulissensteine. Die Achsen der Kulissensteine
sind in diesem Fall fest angeordnet und abgestimmt.
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Macht
es die Abstimmung nötig,
kann eine vorzugsweise automatische Positionsänderung eingearbeitet werden.
Zusätzlich
können
diese Kulissensteinachsen auch zum Antrieb, durch einen Elektrogetriebemotor
für das
Aus- und Einfahren des Tragarms dienen, in dem z. B. entlang der
gewölbten Kulissenführung ein
Zahnradantrieb (oder ähnliches) verläuft. Der
Tragarm weist erfindungsgemäß rechts und
links je eine große
Gleitfläche
auf, die ihre Führung
an den seitlichen Gehäusewänden findet.
Diese Gleitflächen
haben die Aufgabe, ein Verkannten beim Ein- bzw. Ausfahren des Triebwerkes
zu verhindern. Diese Gleitflächen
können
auch durch Gleit- oder Kugelräder
ersetzt werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung, weist das Ausfahrtriebwerk einen Gehäuserahmen mit zwei gegenüberliegenden
Seitenwänden
auf, die vorzugsweise eine möglichst
geschlossene Verbindung zeigen. Die Seitenwände weisen je eine auf den
jeweiligen Flugzeugtyp abgestimmte, gewölbte und vorzugsweise eingearbeitete Kulissenführung auf.
Der Tragarm hat vorzugsweise je nur zwei Kulissensteine. Die Achsen
der Kulissensteine sind in diesem Fall fest angeordnet und abgestimmt.
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Macht
es die Abstimmung nötig,
kann eine vorzugsweise automatische Positionierung eingearbeitet
werden. zusätzlich
können
diese Kulissensteinachsen auch zum Antrieb durch einen Elektromotor
für das
Aus- und Einfahren des Tragarmes dienen. In dem z. B. entlang der
gewölbten
Kulissenführung
ein z. B. Zahnradantrieb (oder ähnliches)
verläuft.
Der Tragarm weist erfindungsgemäß rechts
und links je eine große
Gleitfläche
auf, die ihre Führung an
den seitlichen Gehäusewänden findet.
Diese Gleitflächen
haben die Aufgabe, ein Verkannten beim Ein- bzw. Ausfahren des Triebwerks
zu verhindern. Diese Gleitflächen
können
auch durch Gleit- oder Kugelräder
ersetzt werden.
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Die
Kulissensteine sind vorzugsweise mit Rädern, bzw. mit Kugellagern
ausgeführt.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein erster
Antriebsmotor, insbesondere ein Elektromotor, zum Verfahren des
Tragarmes von der Einfahrlage in die Ausfahrlage und umgekehrt vorgesehen
ist. Dieser Antriebsmotor kann beispielsweise eine Spindel antreiben,
die mit einem Schneckenrad am Tragarm kämmend in Eingriff steht.
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Die
Spindel ist hierbei vorzugsweise in ihrer Längsachse verkippbar angeordnet,
so dass die Schnecke am Tragarm in dauerhaften kämmenden Eingriff mit der Spindel
während
des Einziehvorgangs steht. Es ist erfindungsgemäß vorzuziehen, daß die Schub-Zugvorrichtung
ein Elektromotor ist, der die Kraft über eine Schnecke, auf ein
Schneckenrad, direkt auf eine Achse der Kulissensteine überträgt, die
vorzugsweise gelagerte Kettenräder
antreibt. Entlang der Kulissenführung
ist in diesem Fall eine auf das Kettenrad passende Verzahnung direkt in
die Seitenwand eingearbeitet.
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Es
ist erfindungsgemäß zum Antreiben
des Propellers ein weiterer Vortriebsmotor vorgesehen. Diese Vortriebsmotor
ist zweckmäßigerweise über eine
selbsttätige
Kupplung mit dem Propeller in Wirkverbindung. Die selbsttätige Kupplung
ist so gestaltet, dass im ausgefahrenen Zustand des Tragarmes automatisch
eine Kraftübertragung
von diesem Motor zum Propeller möglich
ist. Als Kraftübertragungseinrichtung
kann beispielsweise ein Zahnriemen oder ein Torsionsantrieb vorgesehen
sein.
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Dieses
Verfahren ist meistens bei Verbrennungsmotoren nötig. Bei einem Verbrennungsmotor kann
ebenfalls eine Turbine verwendet werden.
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Es
ist erfindungsgemäß vorzuziehen,
dass der Vortriebsmotor für
das Flugzeug direkt oder mit Kupplung und Getriebe oben an der Propellerachse befestigt
ist. Vorteile dieser Anordnung sind eine bessere Kühlung und
geringere Getriebe- bzw. Reibungsverluste. Daraus ergibt sich ein
deutlich geringeres Systemgewicht.
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Es
ist erfindungsgemäß vorzuziehen,
einen Elektromotor bzw. einen sogenannten ”Hochdrehzahlmotor oder Innenläufer” mit Getriebe
Untersetzung zu verwenden. Nach dem Stand der Technik hat dieser
Antrieb das beste Gewichts-Leistungsverhältnis gegenüber so genannten Umlaufmotoren
bzw. Aussenläufern
(LRK).
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Propeller
als Einblatt-Propeller ausgebildet, welcher über eine Fangeinrichtung verfügt, die den
Propeller in eine vorgegebene Position dreht und arretiert, in diesem
Fall senkrecht nach unten. Diese Fangeinrichtung ist vorzugsweise
ein separater kleiner Getriebemotor, der den Propeller selbst im
gebremsten Zustand solange dreht, bis die Arretierung eingreift.
Das hat den Vorteil, daß die
Positionierung des Propellers auch ohne Luftströmungsgeschwindigkeit, also
auch am Boden und bei Windstille funktioniert.
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Als
Propeller können
auch zwei- oder mehrblättrige
Faltpropeller, die die Blätter
nach unten in Richtung des Tragarmes falten, zum Einsatz kommen.
Es ist hierzu aber zu bedenken, das ein großer langsam laufender Propeller
effizienter ist als ein schnell laufender, mehrblättriger
Propeller.
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Ein
solcher Einblatt- bzw. auch Mehrblattfaltpropeller hat den Vorteil,
dass er in Kombination mit diesem Ausfahrtriebwerk eine deutlich
kleinere Schachtöffnung
benötigt.
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Das
Ausfahrtriebwerk nach der Erfindung wird anschließend anhand
eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
im Zusammenhang mit 4 Figuren näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Seitenansicht des gesamten Ausfahrtriebwerks mit teilweiser Durchsicht
durch die einzelnen Komponenten mit einer Kulissenführung und einem
Spindelantrieb,
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2 eine
Seitenansicht des Ausfahrtriebwerks mit teilweiser Durchsicht durch
die einzelnen Komponenten mit einer Kulissenführung und einer Schub/Zugvorrichtung
im Tragarm,
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3 eine
Seitenansicht des gesamten Ausfahrtriebwerks mit teilweiser Durchsicht
durch die einzelnen Komponenten mit zwei Kulissenführungen und
einem Spindelantrieb.
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4 eine
Seitenansicht des gesamten Ausfahrtriebwerks mit teilweiser Durchsicht
durch die einzelnen Komponenten mit zwei Kulissenführungen und
einer Schub/Zugvorrichtung im Tragarm.
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Das
in der 1–4
dargestellte Ausfahrtriebwerk verfügt über ein Gehäuse 10', das zwei gegenüberliegende
Seitenwandungen aufweist, die überwiegend
geschlossen miteinander verbunden sind. Das Gehäuse 10' ist vorzugsweise in CFK-Sandwich
ausgeführt.
Wie insbesondere aus 3 und 4 erkennbar
ist, weisen die, als Befestigungsplatten 10 ausgeführten Gehäusewände, je
zwei im Bogen verlaufende Rinnen auf, die als Kulissenführungen 15, 16 eingearbeitet
werden.
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Die
obere Kulissenführung 15 unterscheidet sich
etwas von der unteren Kulissenführung 16.
Dieser Unterschied ist für
die Abstimmung auf den jeweiligen Flugzeugtyp notwendig. Zusätzlich hat
die unterschiedliche Biegung die Aufgabe der Selbsthemmung des Tragarmes 30 im
ausgefahrenen Zustand. Der Tragarm 30 weist in seiner Bauform
im unteren Bereich eine Krümmung 21 auf,
welche auch zur Abstimmung an dem jeweiligen Flugzeugtyp dient.
Der Tragarm 30 verfügt über zwei
Kulissensteinachsen 17 welche einen festen aber lösbaren Sitz
im Tragarm 30 aufweisen. Als Kulissensteine 17' dienen Kugellager.
Als seitliche Führung
für den
Tragarm 30 dienen die Gleitflächen 20. Der gesamte
Tragarm 30 ist in CFK ausgebildet. Zusätzlich sind die Kulissenführungen 15, 16 an
beiden Enden zu öffnen,
so daß der
Tragarm 30 herausgefahren werden kann.
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Innerhalb
des luftwiderstandoptimierten Tragarmes 30, der einen stromlinienförmigen Querschnitt
aufweist und hohl gebaut ist, sind die Strom führenden Kabel für den oberen
Vortriebsmotor 70 untergebracht.
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Der
Propeller 50 ist wie in den 1–4 dargestellt, als Einblattpropeller
ausgebildet. Ein solcher Einblattpropeller ist bekannt. Über eine
geeignete (elektronische) Positionierungseinrichtung 80 wird der
Propeller 50 senkrecht nach unten gestellt, bevor der Einfahrvorgang
eingeleitet wird. Außerdem
weist der Propeller 50 gegenüber seiner Nabe ein Ausgleichsgewicht 51 auf,
welches das Gewicht des Blattes 50 ausgleicht.
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Der
Vortriebsmotor 70, der oben am Tragarm 30 befestigt
ist, weist bevorzugt ein Stufengetriebe oder ein Planetengetriebe 71 auf,
welches vorzugsweise mind. eine Untersetzung von 2:1, 3:1, 4:1 bis 12:1
aufweist. Außerdem
verfügt
die Antriebseinheit 70, 71, 50, 51 als
Ganzes über
eine geeignete Einstellung 72 mit der man die Propellerstrahlrichtung beeinflussen
kann. Das ist nötig,
um ein Optimum der Eigenstartfähigkeit
und der Steigleistung zu erzielen. Wenn ein Verbrennungsmotor zum
Einsatz kommen soll, kann dieser auch im unteren Bereich des Tragarmes 30 angeordnet
werden. Der Verbrennungsmotor steht dann z. B. über einen Zahnriemen in Wirkverbindung
mit dem Propeller 50.
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Für das Ein-
und Ausfahren des Antriebarms 30 aus dem Gehäuse 10' verfügt die Anordnung über einen
weiteren Motor 65, der am Gehäuse 10' befestigt ist. Dieser Motor treibt über ein
Getriebe 61 eine Spindel 62 an. Die Längsachse
dieser Spindel 62 erstreckt sich in etwa parallel zur Rumpfachse
des Flugzeuges im eingebauten Zustand des Ausfahrtriebwerkes. Im
ausgefahrenen Zustand des Tragarmes 30 gemäß 1 und 3 steht
die Spindel 62 an ihrem distalen Ende mit einer Schnecke 66,
welche am unteren Ende des Tragarmes 30 befestigt ist. Die
Spindel 62 ist vorzugsweise zusammen mit dem Getriebe 61 und
dem Motor 65 verschwenkbar um einen Drehpunkt 64 gelagert.
Vorzugsweise werden für die
Schub-Zugvorrichtung 60 zwei synchron laufende Spindelantriebe
mit zwei Spindeln 62, zwei Schneckenräder 66, und einem
gemeinsamen Vortriebsmotor 65 mit Untersetzungsgetriebe 61 verwendet.
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Wird
die Spindel 62 vom Elektromotor 65 in die für die Verschwenkung
des Tragarmes 30 von der Ausfahrlage in die Einfahrlage
notwendige Richtung angetrieben, wandert die Schnecke 66 allmählich in Richtung
Elektromotor 65, wodurch der Verschwenkvorgang einsetzt.
Auf Grund der Kulissenführung 15 bzw. 15, 16 verschwenkt
der Tragarm 30 in der wie in 1 bis 4 dargestellten
Lage erst am oberen Ende 40 nach hinten, um dann nach unten
und schließlich
nach hinten, bzw. in Richtung des hinteren Rumpfendes gezogen zu
werden. Diese erste Bewegung des Tragarmes 30 beim Einfahrvorgang
nach hinten hat zwei Vorteile:
- • 1. der
Tragarm 30 findet in seiner ausgefahrenen Endstellung,
siehe 1 bis 4, eine Selbsthemmung, so daß die vom
Propeller 50 ausgehende Kraft nicht auf die Schub-Zugvorrichtung übertragen
wird;
- • 2.
ergibt sich bei gleicher Tragarmhöhe ein größerer möglicher Propellerdurchmesser,
als wenn der Propeller 50 über den Schachtklappen läuft.
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Grundsätzlich ist
bei den relativ niedrigen Fluggeschwindigkeiten eines Segelflugzeuges
oder auch eines Ultraleicht Flugzeugs ein großer Propellerdurchmesser wegen
des höheren
Wirkungsgrades anzustreben. Die hier beschriebene Kulissenführung 15, 16 verfügt zusätzlich über eine
Stellschraube 19, die den Tragarm 30 in seiner
jeweiligen Endpunktstellung geringfügig beeinflusst.
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Die
Schnecke 66, die im Tragarm 30 zwischen den Kulissensteinen 17' drehbar befestigt
ist, bewirkt die Kraftübertragung
von der Spindel 62 auf den Tragarm 30. Durch das
Rotieren der Spindel 62 rechts oder links wird der Tragarm 30 ein-
oder ausgefahren bis zum jeweiligen Endpunkt in der Kulissenführung 15, 16.
Darüber
hinaus ist erkennbar, daß der
Spindelantriebsmotor 65 mit dem Getriebe 61 und
der Spindel 62 fest verbunden ist, aber durch die Achse 64 drehbar
zwischen den Seitenwänden
des Gehäuses 10' gelagert bzw.
aufgehängt
ist. Der oben beschriebene Spindelantrieb weist vorzugsweise eine
Endlagenpunkterkennung 63 auf, die mit einer elektronischen
Steuerung verbunden ist. Außerdem sind
alle Komponenten, die der Triebwerksteuerung dienen, am Gehäuse 10' befestigt,
so dass das Triebwerk als ganzes entnommen werden kann. Vorzugsweise
erfolgt die Ablaufsteuerung des Aus- und Einfahrvorgangs sowie des
Vortriebsmotors 70 und die Fangvorrichtung des Propellers
vollelektronisch.
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Das
Gehäuse 10' ist an den
Punkten 11 und 12 mit dem Rumpf verschraubt oder
mit entsprechenden Schnellbefestigungen verbunden. Diese Punkte 11 und 12 bilden
die Kraftübertragung
vom Triebwerk auf den Rumpf des Flugzeugs.
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Die
herausragenden Vorteile eines solchen Ausfahrtriebwerks bestehen
dann, dass durch den minimalen Rumpfausschnitt am oberen Rumpfrücken nur
noch sehr wenig an Rumpfstatik ausgleichende Verstärkung nötig ist.
Dieser Zusammenhang ist beim Bau und der Nachrüstung eines Flugzeugs mit Klapp-
oder Ausfahrtriebwerk sehr wichtig. Darüber hinaus hat dieses Ausfahrtriebwerk
auch kaum eine Lastigkeitsänderung
im Zusammenhang mit der Massenverschiebung. Außerdem ist es auch von Vorteil,
wenn für
eine evtl. Wartung, einen Umbau oder eine Reparatur die gesamte
Triebwerkseinheit aus dem Flugzeugrumpf durch diese obere Rumpföffnung entnommen
werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, wie schon beschrieben, die
sehr kleine Rumpfrückenöffnung im
Verhältnis
zu dem sehr großen
Propellerdurchmesser.
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- 10'
- Gehäuse
- 10
- Befestigungsplatte
- 11
- untere
Gehäusebefestigung
- 12
- obere
Gehäusebefestigung
- 15
- Kulissenführung
- 15
- obere
Kulissenführung
- 16
- untere
Kulissenführung
- 17
- Kulissensteinachse
- 17'
- Kulissenstein
- 19
- Stellschraube
- 20
- seitliche
Gleitflächen
- 21
- besondere
Tragarmkrümmung
- 30
- Tragarm
- 40
- oberes
Ende Tragarm
- 41
- unteres
Ende Tragarm
- 50
- Propeller
- 51
- Propellergegengewicht
- 60
- Schub/Zugvorrichtung
- 61
- Getriebe
- 62
- Spindel
- 63
- Endlagenpunkterkennung
- 64
- Achse
- 65
- Antriebsmotor
- 66
- Schneckenrad
- 67
- Kettenrad
- 68
- Zahnstange
- 70
- Vortriebsmotor
- 71
- Getriebe
- 72
- Verstellmöglichkeit
- 75
- kleiner
Getriebemotor
- 80
- Positionierungseinrichtung
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Materialliste:
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Der
Tragarm 30 und das Gehäuse 10 kann mit
folgenden Materialien hergestellt werden: CFK, GFK, AFK, Alu, Titan,
PU...
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Diese
Materialien können
auch als Laminat, Sandwich oder Guß verwendet werden.