DE102008006655A1

DE102008006655A1 - Rotationsgetriebener Schwenkantrieb eines Canting-Kiels

Info

Publication number: DE102008006655A1
Application number: DE102008006655A
Authority: DE
Inventors: Helmut G Duesterloh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-01-30
Filing date: 2008-01-30
Publication date: 2009-08-20
Also published as: WO2009095217A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wasserfahrzeug mit einem Rumpf (0) und einem schwenkbar im Rumpf (0) gelagerten Kiel (1), welcher sich vom Rumpf (0) fort ins Wasser hinab erstreckt und welcher mittels einer Schwenkeinrichtung um eine parallel zur Längsachse des Wasserfahrzeugs ausgerichtete Schwenkachse (4) verschwenkbar ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Wasserfahrzeug so weiterzubitung minimiert wird und dass die Leistungsregelung eines etwaigen hydraulischen Antriebsaggregats vereinfacht wird. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Schwenkeinrichtung, die mindestens eine parallel zur Schwenkachse (4) drehbar gelagerte, motorisch und/oder manuell bewegbare Kurbel (3) sowie eine Kiel (1) und Kurbel (3) über Drehgelenke (A, B) verbindende Koppel (2) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wasserfahrzeug, wie insbesondere ein Segelboot, ein Segelschiff oder eine Segelyacht, mit einem Rumpf und einem schwenkbar im Rumpf gelagerten Kiel, welcher sich vom Rumpf fort ins Wasser hinab erstreckt und welcher mittels einer Schwenkeinrichtung um eine parallel zur Längsachse des Wasserfahrzeugs ausgerichtete Schwenkachse verschwenkbar ist.
Bekannt ist ein derartiges Wasserfahrzeug aus der WO 2004/009435 A1 .
Der Kiel eines Segelbootes hat bekanntlich in erster Linie die folgenden Aufgaben: Einerseits soll er als im Wasser wirkende Lateralfläche gegen den (bei seitlich einfallendem Wind) in den Segeln wirkenden Winddruck die Abdrift vermindern, bzw. aus seitlich gerichteter Kraft des Windes vorwärts gerichtete Antriebskraft erzeugen; andererseits soll er (als unter dem Rumpf angebrachter Ballast) mittels Schwerkraft ein aufrichtendes Moment gegen die das Boot zur Seite neigende Kraft des Windes darstellen, d. h. die Krängung des Bootes mindern, wodurch wiederum sowohl die projizierte Segelfläche als auch die Lateralfläche des Kiels größer erhalten werden, als sie (infolge von Seitenneigung von Mast und Rumpf und mithin auch Segeln und Kiel) sich bei zunehmender Krängung anderenfalls einstellen.
Man hat nun im neuzeitlichen Design für Rennyachten als überwiegend wertvoll erachtet, die dem Vortrieb dienenden „Angriffsflächen" der Segel ungeschmälert zu erhalten, d. h. also, dem letztgenannten Zweck des Kiels, nämlich der Erzeugung von aufrichtendem Moment, Priorität einzuräumen. Um diese Wirkung zu maximieren, bildet man den Kiel so aus, dass er um eine parallel zur Längsachse des Schiffes angeordnete Schwenkachse schwenkbar ist und lenkt ihn, auf Kursen, die seitlichen Einfall des Windes bedingen (seglerisch ausgedrückt: bei Kursen „am Wind"), seitlich aus – und zwar nach Luv; in Richtung der Seite, von der der Wind einfällt. Bei Segelyachten modernen Designs werden Kiele mithin schwenkbar ausgeführt; und zwar (zur Unterstützung der Aufrichtkraft gegen den Winddruck in den Segeln) quer zur Schiffs-Längsachse beweglich.
In der in der deutschen Sprache für diese – noch verhältnismäßig selten anzutreffende – Innovation noch nicht gefestigten Terminologie wird zumeist der Ausdruck „Schwenk-Kiel" für diese Bauform benutzt. Nachfolgend wird von diesem Sprachgebrauch bewusst Abstand genommen, da hier die Meinung vertreten wird, dies führe zu der Gefahr von Missverständnissen angesichts des für jene Bauart von Kielen, die (zur Verringerung des Tiefgangs) parallel zur Schiffs-Längsachse beweglich angebracht sind (also schwenkbar um eine Achse parallel zur Querachse des Schiffes), gleichfalls üblichen Ausdrucks „Schwenk-Kiel". Auch der gelegentlich benutzte Ausdruck „Neigekiel" erscheint nach der hier vertretenen Meinung wenig glücklich, da er in natürlicher Anschauung eher mit einer vor- oder rückwärts gerichteten Bewegung assoziiert wird. Im englisch/amerikanischen Sprachraum ist die Terminologie wohl inzwischen gefestigt. Zur Bezeichnung von quer zur Längsachse des Schiffes schwenkbaren Kielen wird dort der Ausdruck „canting keel" eindeutig verwendet. Da sich im Deutschen analog der Begriff „Canting-Kiel" durchzusetzen scheint, wird dieser Anglizismus hier aufgegriffen.
Die für die Bewegung eines Canting-Kiels aufzuwendenden Kräfte sind beachtlich, denn Rennyachten haben tief gehende Kiele, deren Schwerpunkt auch möglichst tief angesiedelt ist, was durch an deren unterem Ende angeordnete Körper aus Blei oder anderen Schwermetallen, so genannte „Kielbomben", dargestellt wird. Und darüber hinaus ist die Bewegung durch den Widerstand des Wassers erschwert, bzw. ist gegen einwirkende Wasserkraft (z. B. durch Wirbel von Wellen) der Kiel in seiner jeweiligen Position zu halten.
Bei den bis dato realisierten Bauformen von Canting-Kielen wird die Bewegung zumeist mittels hydraulischer Zylinder bewirkt. Während die Verlagerung des Kieles (dessen „Aufhängung" in der Drehachse) möglichst weit unten innerhalb des Rumpfes angeordnet wird, greifen an einen kurzen, aber hinlänglich ausgebildeten Hebelarm oberhalb der Drehachse, Zylinder als lineare Antriebe seitlich an. Es handelt sich also dabei um hydraulische Linearantriebe zum Schwenken des Kiels. Ein Beispiel für einen linear-hydraulischen Antrieb eines Canting-Kiels findet sich in der WO 2004/009435 A1 .
Mit dieser kinematischen Lösung sind eine Reihe von Problemen verbunden. Im Wesentlichen sind diese dadurch bedingt, dass der unvermeidbar unterhalb der Drehachse zu belassende Durchbruch des Rumpfes schwer abzudichten ist.
Tatsächlich versucht man auch keine lokale Abdichtung, sondern besorgt lediglich ein möglichst formschlüssiges und den Wasserwiderstand minimierendes Verschließen der Rumpflücke durch eine Art von „Schiebeluke", während man innerhalb des Rumpfes über dem Durchbruch einen „Kasten" baut, der das eindringende Wasser hält. (Es existieren auch Konstruktionen, bei denen der „Kasten" weitgehend gasdicht gestaltet ist und durch eingeblasene Luft Wassereintritt minimiert wird.) Jedenfalls muss dieser „Kasten" so ausgebildet sein, dass Raum in seinem Inneren für die Bewegung der Schwenkvorrichtung gelassen bleibt, und dass dessen Wände an den Stellen, an denen die Zylinder sie durchdringen, flexibel abgedichtet sind. Insgesamt beansprucht diese Konstruktion verhältnismäßig viel Bauraum.
Hinzu kommt, dass hydraulische Zylinder bauartbedingt in ihrer Druck- und Zugrichtung aufgrund unterschiedlicher Wirkflächengrößen an der Kolbenober- und -unterseite bei gleichem Arbeitsdruck des Hydraulikmediums unterschiedliche Kräfte abgeben. Dieser Umstand erschwert die Leistungs-Regelung eines hydraulischen Aggregats, welches das Druckmedium für die Kolben bereitstellt.
Es gibt auch Konzepte, mit seitlich angreifenden, rein mechanischen, elektromotorisch betriebenen Spindeln den Kiel zu verschwenken. Ein Beispiel für einen derartigen, rein mechanischen Antrieb eines Canting-Kiels beschreibt die EP 1 741 642 A1 . Diese Antriebe sind also ebenfalls, wenngleich so weit unten wie möglich, innerhalb des Rumpfes angeordnet und erfordern große Wasserkästen.
Ein gemeinsamer Nachteil der Schwenkeinrichtungen mit linear-hydraulischen- oder Gewindespindel-Antrieben ist, dass deren Aktuatoren beim Verschwenken des Kiels eine hohe Punktlast in den Rumpf einleiten. Bei Schiffen mit Stahl rumpf mag dies unkritisch sein, leichtgewichtige Rennyachten jedoch verfügen über Rümpfe aus Faserverbund-Werkstoffen und müssen daher an der Abstützstelle der Linearantriebe mit einer zusätzlichen Spante ertüchtigt werden.
Aus der EP 0 855 339 B1 ist es hingegen bekannt, in die Schwenkachse des Canting-Kiels einen rotatorisch wirkendem Hydraulik-Antrieb zu integrieren, um den Bauraum zu verkleinern.
Herzstück des dort offenbarten rotatorischen Antriebs des Canting-Kiels ist ein Kolben, der sich im Wesentlichen aus zwei Abschnitten zusammensetzt. Den ersten Abschnitt bildet ein doppelseitig beaufschlagter Plunger, der mittels zwei sich durch die Arbeitsräume erstreckender Führungsschienen undrehbar linear geführt wird. Der Plunger ist über eine Schubstange mit einem Gewindeabschnitt verbunden, der an seiner Außenseite ein Außengewinde aufweist. Das Außengewinde kämmt mit einem Innengewinde des Canting-Kiels, welcher im Rumpf schwenkbar um die Kolbenachse gelagert ist. Die Lagerung des Kiels im Rumpf erlaubt keine lineare Bewegung des Canting-Kiels. Zum Verschwenken wird einer der beiden Arbeitsräume des Plungers mit hydraulischem Druck beaufschlagt. Dadurch wird die Kolbenstange verschoben und folglich der damit verbundene Gewindeabschnitt entlang der Schwenkachse linear bewegt. Da der Kiel der Linearbewegung nicht folgen kann, setzt die aus Außengewinde des Kolbens und Innengewinde des Kiels bestehende Gewindepaarung die Linearbewegung des Kolbens in eine Schwenkbewegung des Kiels um.
Nachteil dieser Konstruktion ist der noch vergleichsweise große Bauraum, welcher sich entlang des Rumpfes erstreckt. So ist es notwendig, den Antrieb in einem torpedoartigen Gehäuse unterhalb des Rumpfes aufzuhängen. Des Weiteren sind die Arbeitsflächen des doppelseitig beaufschlagten Plungers wegen der Führungsstange von ungleicher Fläche. Diese ungleichen Arbeitsflächen resultieren in unterschiedlichen Betätigungsdrücken, welche die hydraulische Anlage aufzubringen hat. Damit erfordert die hydraulische Steuerung des Canting-Kiels einen höheren apparativen Aufwand.
Ein weiterer Nachteil der aus EP 0 855 339 B1 bekannten Schwenkvorrichtung ist, dass ihr Antrieb genau in der Axialebene des Bootes liegt. Dieses aus technischen Gründen allein nicht zu beanstandende Merkmal entspricht aber nicht dem Reglement für Boote, die an bestimmten Regatten teilnehmen möchten. So bestimmt die Klassendefinition der „VOLVO OPEN 70"-Regatta, dass die Schwenkeinrichtung eines Canting-Kiels zwei separate Antriebe aufweisen muss, die jeweils backbord und steuerbord der vertikalen Längsebene angeordnet zu sein haben. Einer Rennyacht mit Canting-Kiel gemäß der in EP 0 855 339 B1 beschriebenen Bauart wäre folglich die Teilnahme an der genannten Regatta zu verwehren.
In Hinblick auf diesen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Wasserfahrzeug der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass der Bauraum der gesamten Schwenkeinrichtung minimiert wird. Außerdem soll die Leistungsregelung eines etwaigen hydraulischen Antriebs-Aggregats vereinfacht werden. Ferner soll die Schwenkeinrichtung mit der eben beschriebenen Klassenregel konform gehen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Schwenkeinrichtung, die mindestens eine parallel zur Schwenkachse drehbar gelagerte, motorisch und/oder manuell bewegbare Kurbel, sowie eine Kiel und Kurbel über Drehgelenke verbindende Koppel umfasst.
Die vorliegende Erfindung beruht somit auf der Grundidee, sich einerseits von Linearantrieben zum Schwenken des Kiels vollständig zu lösen und stattdessen einen rotatorischen Antrieb zum Schwenken des Kiels zu nutzen. Dieser greift jedoch nicht direkt an den Kiel an, sondern wird mittels eines Getriebes mit dem Kiel verbunden. Bei dem Getriebe handelt es sich um ein ebenes, viergliedriges Kurbelgetriebe. Ein derartiges Getriebe umfasst ein unbewegtes Gestell, welches hier durch den Rumpf gebildet wird, eine im Gestell drehbar gelagerte Kurbel, welche als Antriebsglied dient, des Weiteren eine drehbar im Gestell gelagerte Schwinge, die hier durch den Kiel gebildet wird, und schließlich eine nicht mit dem Gestell verbundene Koppel, welche jeweils mit einem Drehgelenk an die Schwinge und an die Kurbel angebunden ist. Die Dreh- oder Schwenkbewegung der Kurbel wird über die Koppel in eine die Canting-Bewegung des Kiels entsprechende Schwenkbewegung der Schwinge umgesetzt. Alle Drehachsen der Drehgelenke des Getriebes sind parallel zueinander ausgerichtet, im vorliegenden Fall parallel zur Längsachse des Schiffes. Die gestellfeste Drehachse der Schwinge entspricht der Schwenkachse des Kiels, die gestellfeste Drehachse der Kurbel entspricht der Antriebsachse. Der Lageort der beiden übrigen Drehgelenke zwischen Kiel und Koppel bzw. Koppel und Kurbel ist von der Neigestellung des Kiels abhängig, beide befinden sich jedoch stets in derselben Ebene wie die Kurbel und der Kiel.
Der entscheidende Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass ein derartiges Getriebe zum einen sich deutlich kompakter dimensionieren lässt als ein Linearantrieb des Kiels. Darüber hinaus entfällt die punktartige Krafteinleitung in den Rumpf, da die Drehmomentabstützung der Kurbel über einen längeren Bereich parallel zur Längsachse des Schiffes erfolgen kann.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung einer umlauffähigen Kurbelschwinge, bei der die Kurbellänge der Schwingenlänge entspricht (als Schwingenlänge wird der Abstand des die Koppel mit dem Kiel verbindenden Drehgelenks von bezeichnet). Zudem sollte die Koppellänge ebenso der doppelten Kurbellänge entsprechen wie der horizontale Abstand der Drehachse der Kurbel von der Schwenkachse des Kiels. Der vertikale Abstand der Drehachse der Kurbel von der Schwenkachse des Kiels soll wiederum der Kurbellänge entsprechen.
Ein derartig dimensioniertes Getriebe zeichnet sich durch seine besonders kompakten Ausmaße aus, außerdem werden während des Bewegungsablaufs symmetrisch gerichtete Kraftvektoren gebildet, die eine optimale Voraussetzung für eine hohe Gleichförmigkeit des Kraftflusses schaffen.
Gesteigert wird die Gleichförmigkeit durch eine Verdopplung des Kurbelgetriebes, welche durch Spiegeln von Kurbel und Koppel an der sich in Längsrichtung des Schiffes erstreckenden Vertikalebene erfolgt. Durch diese Weise entsteht eine zweite parallel zur Schwenkachse drehbar gelagerte, motorisch oder manuell bewegbare Kurbel, sowie eine zweite, Kiel und Kurbel über Drehgelenke verbindende Koppel. Die Verdopplung der Kurbel geht auch mit einer Verdopplung der Antriebe einher, wodurch eine Redundanz des Antriebs entsteht. Dies ist in Notsituationen von Vorteil; sollte der eine der beiden Antriebe ausfallen, steht der andere noch zum Rückstellen des Kiels parat. Außerdem wird durch die Verdopplung der Kurbelgetriebe die Regelkonformität mit der oben beschriebenen Klassendefinition erreicht: Eine so gestaltete Verschwenkeinrichtung umfasst nämlich zwei separate Antriebe, die jeweils backbord bzw. steuerbord der vertikalen Längsebene des Schiffes angeordnet sind. Durch die symmetrische Anordnung wird auch die Gewichtsverteilung des Antriebs ausgeglichener. Zudem kann die Einzelleistung jedes Kurbelantriebs verringert werden, sofern beide Kurbeln gleichzeitig angetrieben werden. Es sei in diesem Zusammenhang angemerkt, dass die aus dem Rumpf, dem Kiel, den beiden Kurbeln und den beiden Koppeln gebildete, sechsgliedrige kinematische Kette nicht mehr umlauffähig ist, so dass der Antrieb der Kurbeln nur über einen begrenzten Winkel und nicht über 360° hinaus erfolgen kann. Genau genommen handelt es sich dann nicht mehr um eine drehende Antriebsbewegung, sondern um eine schwenkende Antriebsbewegung.
Für den motorischen Antrieb der Kurbel sind grundsätzlich alle bekannten Antriebsarten denkbar. Bevorzugt ist jedoch ein hydraulischer Antrieb, da dieser die notwendige Leistungsdichte und Zuverlässigkeit aufweist. So ist z. B. eine manuelle Notbetätigung anstelle eines defekten Elektroantriebs in einfacher Weise dadurch zu realisieren, dass parallel zur elektrisch angetriebenen Hydraulikpumpe eine Handpumpe vorgesehen wird. Bei einem reinen elektrischen Antrieb wäre dies schwieriger zu realisieren. Die hohe Leistungsdichte der Hydraulik begünstigt auch den Raumbedarf der Antriebe.
Ein besonders bevorzugter hydraulischer Antrieb zum Drehen bzw. Schwenken der Kurbel weist die folgenden Merkmale auf: Die Kurbel ist mit einem sich entlang der Drehachse der Kurbel erstreckendes, linear unbewegliches Innengewinde versehen; mit diesem Innengewinde kämmt ein Außengewinde eines linear innerhalb der Drehachse geführten, hydraulisch doppelseitig beaufschlagbaren Kolbens; der Kolben ist um die Drehachse der Kurbel drehbar gelagert und weist zwei Innengewinde auf; zwei axial in den Kolben hineinragende Gelenkachsen sind linear und rotatorisch unbeweglich im Rumpf verankert und jeweils mit einem Außengewinde versehen, wobei die beiden Außengewinde jeweils mit einem der beiden Innengewinde des Kolbens kämmen.
Bei einem derartigen Schwenkantrieb wird die Linearbewegung eines Kolbens über die zwei Gewindepaarungen in eine Schwenkbewegung des Kolbengehäuses umgesetzt, welches identisch mit der Kurbel ist. Ein solcher Motor ist hinsichtlich seines Außendurchmessers besonders kompakt und kann daher tief im Rumpf angeordnet werden, was dem Schwerpunkt des Schiffes zugute kommt. Er ist zwar nur für begrenzte Schwenkwinkel einsetzbar, in Kombination mit dem beschriebenen Getriebe reicht der Schwenkwinkel des Motors jedoch aus. Ein besonderer Vorteil dieses Motors ist auch, dass er aufgrund der doppelseitigen Beaufschlagung des Kolbens hydrostatisch in den Quadranten der möglichen Betriebszuständen (rechts- und linksdrehend jeweils beschleunigend oder verzögernd) sich vollkommen symmetrisch verhält. Daher ist er besonders einfach hydraulisch zu steuern, was den Bauaufwand des hydraulischen Aggregats im Vergleich zu Zylindern mit ungleichen Arbeitsräumen erheblich verringert. Die Tatsache, dass dieser Drehantrieb grundsätzlich auch auf eine Linearbewegung, nämlich der des Kolbens, beruht, ist hier unschädlich, da sich der Kolben parallel zur Längsachse des Schiffes bewegt und damit weder dem knappen Bauraum in der Querebene des Schiffes verschwendet, noch Kräfte punktförmig in den Rumpf einleitet.
Um die Abdichtung des Antriebs gegen Seewasser zu vereinfachen, wird vorgeschlagen, die hydraulischen Leitungen durch die Gelenkachsen zu führen. Für den doppelseitig beaufschlagten Kolben sind zwei hydraulische Leitungen erforderlich, die jeweils in einem Arbeitsraum münden. Da die Gelenkachsen ohnehin in den Kolben hineinragen, bietet es sich an, die hydraulische Leitung hier hindurch zu führen.
Vorteilhafterweise werden die hydraulischen Leitungen zu den Arbeitsräumen des Kolbens jeweils mit einem hydraulisch entsperrbaren Rückschlagventil verschlossen, wobei die Rückschlagventile hinsichtlich ihrer Entsperrung wechselseitig miteinander zu verschalten sind. Durch diese Verschaltung ist das Druckmedium in den beiden Arbeitsräumen des Kolbens gesperrt, solange das hydraulische Aggregat nicht auf den Kolben geschaltet ist. Der Schwenkantrieb wird dadurch hydraulisch gesperrt. Durch die hydraulische Sperrung sind reibungsintensive, selbstsperrende Gewinde verzichtbar, was Antriebsleistung einspart.
Die Arbeitsräume des Kolbens sind außenseitig des Kolbens zu separieren. Dies erfolgt vorzugsweise mit einer Kolbenringdichtung, die zwischen Kolben und Kurbel angeordnet wird.
Es ist erfindungsgemäß nicht unbedingt angestrebt, die Gewindepaarungen zwischen den Gelenkachsen und dem Kolben einerseits und dem Kolben und der Kurbel andererseits mit derselben Steigung auszuführen. Vielmehr ist es möglich, die jeweiligen Steigungen sehr stark voneinander differieren zu lassen, etwa so, dass die Steigung der Gewindepaarung zwischen Kolben und Kurbel deutlich größer ist als die Steigung zwischen den Gelenkachsen und dem Kolben. Hierdurch ist es möglich, dem Arbeitsraum in ein besonders großes Schluckvolumen zuzuordnen, so dass hohe Antriebsleistungen mit einem großen Volumenstrom erreicht werden und nicht so hohe Drücke gefahren werden müssen.
Es ist sogar möglich, die Gewinde hinsichtlich ihrer Gängigkeit zu vertauschen, etwa so, dass die erste Gewindepaarung linksgängig ist, währenddessen die andere Gewindepaarung rechtsgängig ist (oder umgekehrt).
Schließlich kann auch die Steigung der Gewindepaarung zwischen Kolben und Kurbel deutlich größer gewählt werden als die Steigung der Gewindepaarung zwischen den Gelenkachsen und dem Kolben. Zweck dieses großen Steigungsunterschiedes ist, den Hubweg des Kolbens möglichst lang zu gestalten, währenddessen der Schwenkweg der Kurbel klein wird. Auf diese Weise wird das Schluckvolumen vorteilhaft gesteigert.
Die vorliegende Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Hierfür zeigen:
1: Rumpf des Wasserfahrzeugs mit Canting-Kiel im Querschnitt, Kiel in Nulllage;
2: Canting-Kiel im Querschnitt, einseitig ausgeschwenkt;
3: Canting-Kiel im Querschnitt, in einer Endlage;
4: Canting-Kiel im Querschnitt, in seiner anderen Endlage;
5: Rumpf des Wasserfahrzeugs mit Canting-Kiel im Längsschnitt, Kolben in erster Endlage;
6: Rumpf des Wasserfahrzeugs mit Canting-Kiel im Längsschnitt, Kolben in zweiter Endlage;
7: Hydraulischer Schaltplan.
Die 1 bis 4 dienen zur Darstellung der kinematischen Struktur des Getriebes der erfindungsgemäßen Schwenkeinrichtung. Das unbewegte Gestell des Getriebes bildet der Rumpf 0 des Wasserfahrzeugs, der in den 1 bis 4 quer zur Fahrtrichtung geschnitten dargestellt ist. Im Rumpf schwenkbar gelagert ist ein Kiel 1, welcher sich vom Rumpf 0 fort ins Wasser hinab erstreckt und an seinem distalen Ende mit einer nicht bezifferten Kielbombe versehen ist. Der Kiel 1 ist in der Papierebene ausgehend von der in 1 dargestellten Mittellage um +/–60° schwenkbar, vgl. Endlagen in den 3 und 4.
Zum Schwenken ist der Kiel 1 in einem rumpffesten Kiellager A₀ drehbar gelagert. Die Gelenkachse des Kiellagers A₀ erstreckt sich senkrecht zur Zeichenebene und damit parallel zur Längsachse des Wasserfahrzeugs. Die Gelenkachse des Kiellagers A₀ entspricht somit der Schwenkachse 4 des Kiels 1.
Ein zweites gestellfestes Lager des Getriebes bildet ein erstes Kurbelgelenk B₀. Die Gelenkachse des rumpffesten Kurbellagers B₀ erstreckt sich ebenfalls senkrecht zur Zeichenebene und damit parallel zur Längsachse des Wasserfahrzeugs und parallel zur Schwenkachse 4 des Kiels 1. Der horizontale Abstand x der rumpffesten Drehgelenke A₀ und B₀ beträgt zwei Längeneinheiten, der vertikale Abstand dieser Gestellgelenke beträgt eine Längeneinheit. Nach dem Satz des Pythagoras beträgt der direkte Abstand des Kiellagers A₀ von dem ersten Kurbellager B₀ der Quadratwurzel aus fünf. Diesen Abstand von rund 2.24 Längeneinheiten bezeichnet man auch als Gestelllänge des Kurbelgetriebes.
Um die Gelenkachse des ersten Kurbelgelenks B₀ drehbar gelagert ist eine erste Kurbel 3b, die an ihrem anderen Ende mit einem Drehgelenk B versehen ist. Die Kurbellänge l_B, also dem Abstand des Drehgelenks B zum Kurbelgelenk B₀ beträgt eine Längeneinheit. Wenn die Kurbel 3b motorisch und/oder manuell bewegt wird, wandert das Drehgelenk B auf einer Kreisbahn mit dem Radius einer Längeneinheit um das Kurbelgelenk B₀. Die Winkelbeweglichkeit des Punktes B auf dieser Kreisbahn ist jedoch auf 120° begrenzt, vgl. Übergang von 3 auf 4, so dass es sich nicht um einen umlaufenden Drehantrieb, sondern um einen Schwenkantrieb handelt. In dem Gelenk B drehbar gelagert ist eine Koppel 2b mit einer Koppellänge l_AB von zwei Längeneinheiten. An ihrem anderen Ende ist die Koppel 2b mit einem weiteren Drehgelenk A an den Kiel 1 angebunden.
Der Abstand des Gelenkpunktes A von dem Kiellager A₀ beträgt eine Längeneinheit und entspricht somit der Kurbellänge l_B. Getriebetechnisch gesehen, handelt es sich bei dem Kiel folglich um eine Schwinge, der Abstand zwischen dem Kielgelenk A₀ und dem Drehgelenk A zwischen Koppel 2b und Kiel 1 wird als Schwingenlänge l_A bezeichnet.
Symmetrisch zur Koppel 2b und zur Kurbel 3b sind eine zweite Kurbel 3c und eine zweite Koppel 2c innerhalb der Schwenkeinrichtung vorgesehen. Die Doppelung bedingt einen zweiten Kurbelantrieb für die Kurbel 3c. Bei diesem Antrieb handelt es sich um einen Drehantrieb, dessen Antriebsachse der Drehachse des Kurbelgelenkes C₀ der zweiten Kurbel 3c entspricht. Durch die symmetrische Aufteilung beiderseits der Vertikalebene ist die Gewichtsverteilung innerhalb des Rumpfes 0 besonders ausgewogen, zusätzlich stehen redundante Antriebe zur Verfügung. Da steuerbord- und backbordseitig jeweils ein eigener Antrieb vorgesehen ist, entspricht die Schwenkeinrichtung dieses Canting-Kiels 1 dem derzeitigen Reglement der „Volvo open 70"-Regatta.
Beide Antriebe können simultan bewegt werden. Gleichwohl ist es möglich, nur einen Antrieb in jede Schwenkrichtung zu verwenden. Der Schwenkweg beider Antriebe beträgt 120° und entspricht somit dem Gesamtschwenkweg des Kiels 1. Die sechsgliedrige kinematische Kette mit zwei Kurbeln 3b, 3c und zwei Koppeln 2b, 2c ist insgesamt nicht mehr umlauffähig. Ein zum Verschwenken der Koppeln 3 besonders geeigneter hydraulischer Schwenkantrieb soll nun anhand der 5 bis 7 dargestellt werden.
In den 5 und 6 ist der Antrieb der Kurbel lediglich schematisch dargestellt. Er befindet sich im unteren Bereich des Rumpfes 0 des erfindungsgemäßen Wasserfahrzeugs. Die Lagerung der Kurbel 3 im Rumpf 0 entlang der Drehachse 5 des Kurbellagers B₀ bzw. C₀ erfolgt mit Hilfe zweier Gelenkachsen 5a, 5b, welche unbeweglich im Rumpf 0 verankert sind. Dadurch, dass die Gelenkachsen 5a, 5b sowohl rotatorisch, als auch translatorisch unbeweglich zum Rumpf 0 sind, ist ihr Austritt aus dem Rumpf 0 besonders einfach abzudichten, sofern die Kurbel 3 vom Wasser umgeben ist.
Die beiden koaxialen Gelenkachsen 5a, 5b definieren die Drehachse 5 des Kurbellagers, welche sich parallel zur Längsachse des Wasserfahrzeugs erstreckt. Wälzlager 6 übertragen die Kräfte von der Kurbel 13 auf die Gelenkachsen 5a, 5b. Es ist angestrebt, die Kurbel 3 gegenüber dem Rumpf 0 um bis zu +/–60° zu schwenken.
Im Inneren der Kurbel 3 befindet sich ein linear entlang und rotatorisch an die Drehachse 5 herum beweglicher Kolben 7. Sein Bewegungsraum im Inneren der Kurbel 3 ist mittels Dichtungen 8 gegenüber etwaigem Seewasser abgedichtet. Diese Dichtungen 8 verhindern zugleich ein Austreten des Hydraulikfluids aus dem Bewegungsraum des Kolbens 7.
Der Kolben 7 ist entlang einer Führungsstrecke 9 innerhalb der Kurbel 3 geführt. Er weist an seiner Außenseite ein Außengewinde 10 auf, welches mit einem Innengewinde 11 an der Kurbel 3 kämmt. Des Weiteren bildet er in seinem Inneren zwei Arbeitsräume 12a, 12b aus, in welche jeweils die Enden der Gelenkachsen 5a und 5b hineinragen. In seinen Arbeitsräumen 12a, 12b weist der Kolben 7 jeweils ein Innengewinde 13a, 13b auf, welches mit einem korrespondierenden Außengewinde 14a, 14b an dem in den Kolben 7 hineinragenden Ende der Gelenkachsen 5a, 5b kämmt. Durch die Gelenkachsen 5a, 5b hindurch ist jeweils eine Hydraulikleitung 15a, 15b geführt, welche jeweils einen der beiden Arbeitsräume 12a, 12b speist.
Zum Antreiben der Kurbel 3 aus der in 3 gezeigten ersten Endlage in die in 4 gezeigte zweite Endlage wird der linke Arbeitsraum 12a über die linke Hydraulikleitung 15a mit einem Druckmedium beaufschlagt. Das Druckmedium wird von einem hier nicht gezeigten hydraulischen Aggregat bereitgestellt.
Zugleich wird die gegenüberliegende hydraulische Leitung 15b geöffnet. Das Öffnen und Schließen der hydraulischen Leitungen 15a, 15b und das Beauf schlagen der Arbeitsräume 12a, 12b mit später anhand des in 7 gezeigten Schaltplans des hydraulischen Aggregats näher erläutert.
Wenn der hydraulische Druck im linken Arbeitsraum 12a steigt, bewegt sich der Kolben 7 linear nach rechts. Da die linke Gelenkachse 5a unbeweglich im Rumpf 0 fixiert ist, bewirkt die Linearbewegung des Kolbens 7 nach rechts dank der Gewindepaarungen 13a/14a und 13a/14b eine zusätzliche Drehbewegung des Kolbens 7 und die Gelenkachse 5. Diese Rotationsbewegung wird von der Gewindepaarung 10/11 zwischen Kolben 7 und Kurbel 3 in eine reine Schwenkbewegung der Kurbel umgesetzt. Der Linearanteil der Kolbenbewegung geht nicht in die Kurbel 3 über. Die Schwenkbewegung kann bei einem beliebigen Schwenkwinkel unterbrochen werden, allerdings ist der Schwenksektor der Kurbel 3 und damit des Kiels 1 insgesamt über die Anschläge des Kolbens 7 innerhalb der Kurbel ebenso begrenzt, wie durch die Endlagen der kinematischen Kette des Getriebes. Die Endlagen des Kolbens des hydraulischen Antriebs ist somit auf die Getriebestruktur geeignet anzupassen.
Zum Rückstellen der Kurbel 3 in die entgegengesetzte Richtung wird entsprechend der andere Arbeitsraum 12b über die hydraulische Leitung 15b beaufschlagt. Es sei angemerkt, dass die Arbeitsräume 12a, 12b durch eine Dichtung 16 im Bereich der gewindefreien Führungsstrecke 9 voneinander abgedichtet sind. Das Abdichten der Gewinde entfällt somit, es kann vielmehr eine konventionelle Kolbenringdichtung 16 vorgesehen werden. Des Weiteren macht die Kolbenringdichtung 16 ein hydraulisches Sperren der Kurbel 3 und damit des Canting-Kiels 1 in eine beliebige Winkelposition möglich.
Hierzu wird auf den in 7 dargestellten Schaltplan des hydraulischen Aggregats verwiesen. Vorausgeschickt sei, dass das hydraulische Aggregat hier nur in Verbindung mit einem Kurbelantrieb dargestellt ist; die zur Speisung von zwei Kurbelantrieben notwendigen Änderungen werden am Ende beschrieben.
Die beiden in die Arbeitsräume 12a, 12b des Kolbens 7 mündenden hydraulischen Leitungen 15a, 15b sind mittels Rückschlagventilen 17a, 17b sperrbar. Die Rückschlagventile 17a, 17b sind hydraulisch entsperrbar, wobei sie hinsichtlich ihrer Entsperrung wechselseitig verschaltet sind. So bewirkt der Arbeitsdruck vor Rückschlagventil 17a die Entsperrung des gegenüberliegenden Rückschlagventils 17b, so dass das Arbeitsmedium den zusammenfahrenden Arbeitsraum 12b verlassen kann. Das Ansteuern des Kolbens 7 erfolgt über ein 4/3-Wegeventil 18, welches druckseitig an ein Druckbegrenzungsventil 19 und eine Pumpe 20 umfassende, motorisch angetriebene Druckquelle angeschlossen ist. Rücklaufseitig ist das Ventil 18 mit dem Hydrauliktank 21 verbunden. Druckseitig ist das hydraulische Aggregat zusätzlich mit einer Handpumpe 22 und einem Druckspeicher 23 ausgerüstet. Bei Ausfall der motorisch angetriebenen Pumpe 20 ist es somit möglich, über die Handpumpe 22 den Canting-Kiel 1 zurückzustellen. Solange der Druckspeicher 23 ausreichend gefüllt ist, erfolgt die Notrufstörung über die redundante Druckversorgung auf mit der erforderlichen Geschwindigkeit.
Falls ein zweiter Kurbelantrieb für eine zweite Kurbel 3c erforderlich ist, wird die oberhalb des Ventils 18 gezeichnete Verschaltung des Kolbens 7 mit den Rückschlagventilen 17a, 17b schlicht verdoppelt, so dass der Zulauf jeweils zwei Kolben gleichzeitig speist. Der beiden Kolben Rücklauf wird entsprechend mit der Tankleitung des 4/3-Wegeventils 18 verbunden. Der Volumenstrom der Pumpe 20 muss entsprechend verdoppelt werden, der Druck halbiert sich jedoch dafür, da beide Kolben simultan arbeiten. Alternativ ist es möglich, das hydraulische Aggregat so zu verschalten, dass jeweils nur einer der beiden Kolben beaufschlagt wird. Der andere, nicht beaufschlagte Kolben wartet dann auf seinen Noteinsatz.

0: Rumpf
1: Kiel
2, 2b, 2c: Koppel, erste Koppel, zweite Koppel
3, 3b, 3c: Kurbel, erste Kurbel, zweite Kurbel
4: Schwenkachse
5: Drehachse
5a, 5b: Gelenkachsen
A₀: Kiellager
B₀: erstes Kurbellager
A: Drehgelenk erste Koppel/Kiel
B: Drehgelenk erste Koppel/erste Kurbel
C₀: zweites Kurbellager
C: Drehgelenk zweite Koppel/Kurbel
l_A: Schwingenlänge
l_B: Kurbellänge
l_AB: Koppellänge
x: horizontaler Abstand der Gestellgelenke
y: vertikaler Abstand der Gestellgelenke
6: Wälzlager
7: Kolben
8: Dichtungen
9: Führungsstrecke
10: Außengewinde Kolben
11: Innengewinde Kiel
12a, b: Arbeitsräume
13a, b: Innengewinde Kolben
14a, b: Außengewinde Kielachse
15a, b: hydraulische Leitung
16: Kolbenringdichtung
17a, b: Rückschlagventile
18: Ventil
19: Druckbegrenzungsventil
20: Pumpe
21: Tank
22: Handpumpe
23: Druckspeicher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2004/009435 A1 [0002, 0007]
- EP 1741642 A1 [0011]
- EP 0855339 B1 [0013, 0016, 0016]

Claims

Wasserfahrzeug, insbesondere Segelboot, Segelschiff oder Segelyacht, mit einem Rumpf (0) und mit einem schwenkbar im Rumpf (0) gelagerten Kiel (1), welcher sich vom Rumpf (0) fort ins Wasser hinab erstreckt und welcher mittels einer Schwenkeinrichtung um eine parallel zur Längsachse des Wasserfahrzeugs ausgerichtete Schwenkachse (4) verschwenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkeinrichtung mindestens eine parallel zur Schwenkachse (4) drehbar gelagerte, motorisch und/oder manuell bewegbare Kurbel (3), sowie eine Kiel (1) und Kurbel (3) über Drehgelenke (A, B) verbindende Koppel (2) umfasst.
Wasserfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Kurbellänge (l_B) der Schwingenlänge (l_A) entspricht, wobei die Schwingenlänge (l_A) den Abstand des die Koppel (2) mit dem Kiel (1) verbindendem Drehgelenks (A) von der Schwenkachse (4) bezeichnet; b) dass die Koppellänge (l_AB) der doppelten Kurbellänge (I_B) entspricht; c) dass der horizontale Abstand (x) der Drehachse (5) der Kurbel (3) von der Schwenkachse (4) des Kiels (1) der doppelten Kurbellänge (l_B) entspricht; d) und dass der vertikale Abstand (y) der Drehachse (5) der Kurbel (3) von der Schwenkachse (4) des Kiels (1) der Kurbellänge (l_B) entspricht.
Wasserfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkeinrichtung spiegelsymmetrisch zu der durch die Schwenkachse (4) verlaufende Vertikalebene eine zweite parallel zur Schwenkachse (4) drehbar gelagerte, motorisch und/oder manuell bewegbare Kurbel (3c), sowie eine zweite, Kiel (1) und Kurbel (3c) über Drehgelenke (A, C) verbindende Koppel (2c) umfasst.
Wasserfahrzeug nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kurbel (3) mittels eines hydraulischen Antriebs um ihre Drehachse (5) drehbar ist.
Wasserfahrzeug nach Anspruch 4, wobei der hydraulische Antrieb der Kurbel (3) die folgenden Merkmale aufweist: a) die Kurbel (3) weist ein sich entlang der Drehachse (5) der Kurbel (3) erstreckendes, linear unbewegliches Innengewinde (11) auf; b) mit dem Innengewinde (11) kämmt ein Außengewinde (10) eines linear entlang der Drehachse (5) geführten, hydraulisch doppelseitig beaufschlagbaren Kolbens (7); c) der Kolben (7) ist um die Drehachse (5) der Kurbel (3) drehbar gelagert und weist zwei Innengewinde (13a, 13b) auf; d) zwei axial in den Kolben (7) hineinragende Gelenkachsen (5a, 5b) sind linear und rotatorisch unbeweglich im Rumpf (0) verankert und jeweils mit einem Außengewinde (14a, 14b) versehen; e) jedes der beiden Außengewinde (14a, 14b) kämmt mit je einem der beiden Innengewinde (13a, 13b) des Kolbens (7).
Wasserfahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Beaufschlagung des Kolbens (7) mit hydraulischem Druck durch die Gelenkachsen (5a, 5b) jeweils eine hydraulische Leitung (15a, 15b) aus dem Rumpf (0) in die Kurbel (3) geführt ist.
Wasserfahrzeug nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Kolben (7) zwei Arbeitsräume (12a, 12b) aufweist, welche jeweils mittels eines hydraulischen Aggregats mit hydraulischem Druck beaufschlagbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsräume (12a, 12b) des Kolbens (7) jeweils mit einem hydraulisch entsperrbaren Rückschlagventil (17a, 17b) zum Aggregat hin verschlossen sind, wobei die Rückschlagventile (17a, 17b) hinsichtlich ihrer Entsperrung wechselseitig miteinander verschaltet sind.
Wasserfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsräume (12a, 12b) des Kolbens (7) durch eine Kolbenringdichtung (16) zwischen Kolben (7) und Kurbel (3) voneinander getrennt sind.
Wasserfahrzeug nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Gewindepaarung (10/11) zwischen Kolben (7) und Kurbel (3) linksgängig ist, währenddessen die Steigung der Gewindepaarung (13a/14a, 13b/14b) zwischen den Gelenkachsen (5a, 5b) und dem Kolben (7) rechtsgängig ist.
Wasserfahrzeug nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Gewindepaarung (10/11) zwischen Kolben (7) und Kurbel (3) rechtsgängig ist, währenddessen die Steigung der Gewindepaarung (13a/14a, 13b/14b) zwischen den Gelenkachsen (5a, 5b) und dem Kolben (7) linksgängig ist.
Wasserfahrzeug nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Gewindepaarung (10/11) zwischen Kolben (7) und Kurbel (3) deutlich größer ist als die Steigung der Gewindepaarung (13a/14a, 13b/14b) zwischen den Gelenkachsen (5a, 5b) und dem Kolben (7).