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Die
Erfindung betrifft Vorwärtsruder
für Ruderboote,
bei denen der Ruderer in Fahrtrichtung im Boot sitzt und in gewohnter
Weise richtungsstabil rudern kann und nicht, wie bisher üblich, verkehrsgefährdend rückwärts im Boot
sitzt.
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Stand der Technik
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Bekannt
sind zahlreiche Patente von Vorwärtsrudern
für Ruderboote,
die sich nach ihrem Wirkungsprinzip in etwa drei Gruppen einteilen
lassen:
- 1. Gruppe: Vorwärtsruder
mit zweiteiligen Rudern, bestehend aus je einem Außen- und
einem Innenhebel, die gemeinsam auf je einer Achse am Bootsrand gelagert
sind und durch ein Gestänge
so miteinander verbunden sind, dass die Ruderhebel beim Rudern unterschiedliche
Drehrichtungen einnehmen, wobei mindestens eine Strebe des Gestänges mit
dem Boot verbunden ist.
Vgl. folgende Druckschriften:
DE 605621A
US 5,248,272 A
- 2. Gruppe: Vorwärtsruder
mit zweiteiligen Ruder, dem Außen-
und dem Innenhebel, die getrennt auf je einer Achse am Bootsrand
gelagert sind und durch Zahnsegmente Getriebe, Ketten, Seile oder
Hebel miteinander in Verbindung stehen, zur Erzeugung unterschiedlicher
Drehrichtungen der Ruderhebel.
Vgl. folgende Druckschriften:
JP 2000198492 A
US 2,058,410 A
GB 2326397 A
- 3. Gruppe: Vorwärtsruder
mit einteiligen Rudern, wobei die Ruder entlang der Bordwand bewegt
werden, bzw. über
Gestänge
von Bug nach Heck gezogen und kreisförmig geschwenkt werden.
Vgl.
folgende Druckschrift: DE
201 16 742 U1
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Im
Folgenden werden die bekannten Vorwärtsruder kritisch beurteilt
und es wird aufgezeigt, warum sich bislang keines der bekannten
Vorwärtsruder
gegenüber
dem traditionellen Ruder durchsetzen konnte.
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Das
wichtigste Merkmal eines Ruders für ein Ruderboot ist die Richtungsstabilität, die mit
dem Ruder erreicht wird.
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Unter
Richtungsstabilität
wird das Geradeaus-Fahrverhalten eines Ruderbootes verstanden.
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Je
höher die
Richtungsstabilität
ist, desto leichter ist es, das Ruderboot auf Fahrkurs zu halten und
das Rudern als angenehm zu empfinden. Eine hohe Richtungsstabilität ist deshalb
erforderlich, weil nur angenähert
gleichmäßig mit
beiden Rudern gerudert werden kann. Sie wird erzielt, wenn alle
Ruderkräfte
in der Längsrichtung
des Bootes gerichtet sind, nahe an der Bootslängsachse auf das Boot einwirken und
das Boot einen hohen Querwiderstand aufweist.
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Anders
ausgedrückt,
die Drehmomente und Querkräfte,
die durch das Rudern auf das Boot einwirken, müssen gering und der Querwiderstand
des Bootes muss groß sein.
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Das
herkömmliche
Ruderboot weist eine hohe Richtungsstabilität auf. Deshalb soll zur kritischen
Betrachtung der bekannten Vorwärtsruder
gelten:
Ein Vorwärtsruder
muss mindestens die gleich hohe Richtungsstabilität bewirken
wie das traditionelle Ruder, um ihm in den Rudereigenschaften gleichwertig und
damit anwendungstauglich zu sein. Um dies zu ermitteln, werden die
Kräfteverhältnisse
der bekannten Vorwärtsruder
gruppenweise dem Kräfteverhalten
des herkömmlichen
Ruders gegenüber
gestellt.
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Für die Vergleichbarkeit
sind nachfolgend die Ruderabmessungen und die Ruderkraft für alle betrachteten
Fälle gleich
groß bemessen.
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Zur
Beurteilung der Richtungsstabilität der bekannten Vorwärtsruder
werden die Querkräfte
und die Drehmomente um das Ruderlager berechnet und es wird aus
den Kräften,
die in Längsrichtung
des Bootes am Ruderlager auftreten und den Kräften, die entlang der Bootslängsachse
wirken, die resultierende Vortriebskraft des Bootes ermittelt.
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Kräfteverteilung
am herkömmlichen
Ruder, 1
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1 zeigt
die Kräfteverteilung
an einem herkömmlichen
Ruder.
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Es
bedeuten:
- a
- Ruderkraft
- b
- Kraft am Stemmbrett
- c
- Kraft am Ruderlager
- d
- Kraft am Ruderblatt
gegen den Wasserwiderstand
- e
- resultierende Vortriebskraft
- s
- Abstand: Ruderlager
zur Bootslängsachse
= 1
- g
- einteiliges Ruder
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Beim
bekannten Ruderboot treten nur Kräfte in Längsrichtung des Bootes auf.
Bei der angenommenen Dimensionierung wirken am Ruderlager die Vortriebskraft
c der Größe 1.5x
die Ruderkraft in Fahrtrichtung und auf der Längsachse des Bootes die entgegen
der Fahrtrichtung gerichtete Kraft b am Stemmbrett der Größe –1x Ruderkraft.
Die resultierende Vortriebskraft e wirkt am Ruderlager in Fahrtrichtung
und hat die Größe von 0,5x
die Ruderkraft, die gleich der Kraft d am Ruderblatt gegen den Wasserwiderstand
ist und sich aus dem Verhältnis
der Außenruderlänge zur
Länge des
Innenruders von 2:1 ergibt. Das beim nicht gänzlich vermeidbaren ungleichmäßigen Rudern
mit beiden Skulls wirksam werdende Drehmoment der Vortriebskraft
am Ruderlager gegenüber
der Bootslängsachse
der Größe M = 1,5
(1,5x die Ruderkraft x1, dem Abstand s des Ruderlagers von der Bootslängsachse)
wird durch den Querwiderstand des Bootes weitgehend kompensiert,
so dass mit dem herkömmlichen
Ruder eine hohe Richtungsstabilität erreicht wird, da keine weiteren
Drehmomente auf das Boot einwirken. Die Drehmomente um das Ruderlager
sind: M = 0.
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Kräfteverteilung
an den bekannten Vorwärtsrudern der
Gruppe 1, 2.
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In 2 ist
die Kräfteverteilung
eines bekannten Vorwärtsruders
der Gruppe 1 dargestellt:
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Es
bedeuten:
- a
- Zugstange
- b
- Druckstange
- c
- Koppel
- d
- Kurbel
- e
- Kurbellager
- f
- Ruderlager
- g
- Ruderkraft
- h
- Kraft am Stemmbrett
- i
- Kraft am Ruderblatt
- j
- Wasserwiderstandskraft
- k
- Querkräfte
- R
- resultierende Vortriebskraft
- m
- Vortriebskraft am
Ruderlager
- n
- Zugkraft
- o
- Druckkraft
- p
- Innenhebel
- q
- Außenhebel
- s
- Abstand zur Bootsmitte
= 1
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Das
Vorwärtsruder
ist zweiteilig, wobei der Außen-
und der Innenhebel auf einer gemeinsamen Achse gelagert und über Streben
mit einer Koppel verbunden sind, die mit einer Kurbel in Verbindung steht,
die auf dem Boot drehbar angeordnet ist.
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Die
Kräfteverteilung
in 2 zeigt, dass sich die Ruderkraft g weitgehend
durch die Gegenkräfte, durch
die Wasserwiderstandskraft j bewirkt, kompensieren. Es verbleiben
durch die Zugkraft n an der Zugstange a und die Druckkraft o an
der Druckstange b die Querkräfte
k und die Kraft am Stemmbrett h, sowie die negative Vortriebskraft
m am Ruderlager f, die auf das Boot einwirken.
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Die
Querkräfte
2x k bewirken um das Ruderlager f ein großes Drehmoment und zwar für die angenommene
Dimensionierung M = –2,
(1x Ruderkraft g × 2x
Abstand s zwischen dem Ruderlager f und der Koppel c). Die resultierende
Vortriebskraft R ergibt sich aus der negativen Vortriebskraft m
von –0,5x
Ruderkraft g am Ruderlager f und der Vortriebskraft h am Stemmbrett
von 1x die Ruderkraft g und hat eine Größe von 05x die Ruderkraft g.
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Vorwärtsruder
der Gruppe 1 weisen aufgrund des hohen Drehmomentes um das Ruderlager von
M = –2
eine wesentlich schlechtere Richtungsstabilität als das traditionelle Ruder
auf, bei dem kein Drehmoment um das Ruderlager wirkt.
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Beim
geringsten ungleichmäßigen Rudern dreht
sich das Boot vom Fahrkurs ab nach der schwächer beruderten Seite hin.
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Kräfteverteilung
an den bekannten Vorwärtsrudern der
Gruppe 2, 3
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In
3 ist
die Kräfteverteilung
eines bekannten Vorwärtsruders
der Gruppe 2 dargestellt.
Vgl.
JP 2000198492 A -
Das
dargestellte Vorwärtsruder
besteht aus zwei getrennt gelagerten Ruderhebeln, die über Zahnsegmente
oder andere Verbindungselemente, in anderen Patentschriften, miteinander
in Verbindung stehen, über
die die Ruderkraft vom Innen- auf das Außenruder übertragen wird.
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Es
bedeuten:
- a
- Ruderkraft
- b
- Kraft am Stemmbrett
- c
- Kraft am Innenruderlager
- d
- Kraft am Außenruderlager
- e
- Kräfte am Zahneingriff
- f
- Kraft am Ruderblatt
- g
- Gegenkraft durch den
Wasserwiderstand
- h
- negative Vortriebskraft
- R
- resultierende Vortriebskraft
- s
- Abstand Ruderlager
zur Bootslängsachse
= 1
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Die
Kräfteverteilung
in 3 zeigt, dass beim Rudern an den Achsen der Ruderlager
gegeneinander entgegengesetzt gerichtete Längskräfte c, d auftreten, die die
entgegen der Fahrtrichtung gerichtete Vortriebskraft h von der Größe –0,5x die
Ruderkraft a bewirken und um den Zahneingriffspunkt beider Ruder
Drehmomente um das Ruderlager zur Folge haben.
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Durch
den Wasserwiderstand g am Ruderblatt wird die Kraft von 0,5x die
Ruderkraft a am Ruderblatt kompensiert, sowie die Kräfte e an
der Kraftübertragungsstelle
der Ruder und die Ruderkraft a selbst.
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Die
resultierende Vortriebskraft R der Größe 0,5x die Ruderkraft a ergibt
sich aus der Kraft b am Stemmbrett (1x die Ruderkraft a) minus der
negativen resultierenden Vortriebskraft h an den Ruderachsen mit
der Größe 0,5x
die Ruderkraft a.
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Um
das Ruderlager werden zwei Drehmomente erzeugt: 1. Kraft c am Innenruderlager
mal Abstand zum Zahneingriff: 4 × 0,25 = 1 und 2. Kraft d am Außenruderlager
mal Abstand zum Zahneingriff: 3.5 × 0,25 = 0,875, was ein Gesamtdrehmoment
um das Ruderlager von M = –1,875
ergibt.
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Das
Drehmoment von M = –1,875
um das Ruderlager hat eine geringere Richtungsstabilität des Vorwärtsruders
gegenüber
dem traditionellen Ruder zur Folge.
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Bei
geringfügig
nicht vermeidbaren ungleichmäßigen Rudern
verdreht sich das Boot nach der schwächer beruderten Seite hin,
so dass ständig durch
Gegenrudern korrigiert werden muss, was das Kurshalten erschwert
und das Rudervergnügen
einschränkt.
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Kräfteverteilung
an den bekannten Vorwärtsrudern der
Gruppe 3, 4
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In 4 ist
die Kräfteverteilung
eines bekannten Vorwärtsruders
der Gruppe 3 dargestellt.
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Es
bedeuten:
- a
- Ruder
- b, c
- Trapezschenkel
- d, e
- Trapezlager
- f
- Ruderkraft
- g
- Kraft am Stemmbrett
- h, i
- Querkräfte
- j
- Kraft am vorderen
Ruderlager
- k
- Gegenkraft am vorderen
Trapezlager
- l
- Kraft am Ruderblatt
= Wasserwiderstandskraft m
- s
- Abstand, Bootslängsachse
zu Bootsrand = 1
- R
- resultierende Vortriebskraft,
g-/k/
- D
- Drehpunkt des Drehmomentes
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Bei
diesem Vorwärtsruder
wird ein fest an einem entsprechend dimensionierten Trapez angebrachtes
Ruder a von der Bug- zur Heckseite gezogen und dabei kreisförmig geschwenkt,
wobei der Ruderer in Fahrtrichtung sitzt und der Vortrieb des Bootes über den
Druck des Ruderers gegen das Stemmbrett erfolgt. Das Kräftebild
zeigt aber außerdem,
dass an den Schenkeln des Trapezes b, c die Querkräfte h, i
auftreten und zwar in 4 an der vorderen Trapezaufhängung d
nach rechts und an der heckseitigen Trapezaufhängung e nach links gerichtet.
Dadurch wirkt ein Drehmoment auf das Boot ein, welches das Boot
beim unvermeidlich ungleichmäßigen Rudern
zur schwächer
beruderten Seite hin zu drehen versucht. Die Ruderkraft f hält sich
mit der Kraft am vorderen Ruderlager j und der Kraft am Ruderblatt
l im Gleichgewicht, so dass für
die resultierende Vortriebskraft R = Kraft am Stemmbrett g minus
Gegenkraft k am vorderen Trapezlager d der Wert von R = 1 – 0,5 =
0,5x Ruderkraft erhalten wird. Die Querkräfte h, i bewirken bei den in 4 dargestellten
Ruder ein zu den betrachteten anderen Vorwärtsrudertypen vergleichbares
Drehmoment von M = 2/3 (2x Ruderkraft f × 1/3 Abstand s), wobei sich
der Drehpunkt D in der Mitte zwischen den Trapezlagern im Boot befindet.
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Vorwärtsruder
der Gruppe 3 weisen zwar ein geringeres Drehmoment und damit eine
bessere Richtungsstabilität
als die Vorwärtsruder
der 1. und 2. Gruppe auf, erreichen aber nicht die gute Richtungsstabilität des herkömmlichen
Ruders, bei dem keine Querkräfte
auf das Boot einwirken. Vorwärtsruder
der Gruppe 3 sind nur bedingt geeignet, als Vorwärtsruder verwendet zu werden,
zumal sie sperrig oder mechanisch aufwendig sind.
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Ergebnis:
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Die
bekannten Vorwärtsruder
genügen
ausnahmslos nicht den Anforderungen, die an gebrauchsfähige Ruder
zu stellen sind, weil sie nicht die gleich hohe Richtungsstabilität und die
gleich guten Rudereigenschaften der traditionellen Ruder erreichen.
Mit den bekannten Vorwärtsrudern
ist es schwierig, sicheren Kurs zu halten und somit kein entspanntes
Rudern möglich.
Aus diesem Grunde konnte sich bislang auch keines der bekannten
Vorwärtsruder
gegen das traditionelle Ruder behaupten.
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Aufgabenstellung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, „Vorwärtsruder” vorzuschlagen, mit denen
der Ruderer in Fahrtrichtung im Boot sitzt und in gewohnter Weise
mindestens so richtungsstabil, wie mit dem herkömmlichen Ruderboot, rudern
kann.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 2
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1. Erfindungsgemäßes Vorwärtsruder
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5 zeigt
die Kräfteverteilung
an einem erfindungsgemäßen Vorwärtsruder
unter Berücksichtigung
der Gegenkräfte,
die durch die Wasserwiderstandskraft auf das Ruder einwirken.
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Es
bedeuten:
- a
- Innenruder
- b
- Außenruder
- c
- Ruderlager
- d
- Innenruderstrebe
- e
- Außenruderstrebe
- f
- Kurbel
- g
- Kurbellager
- o
- Stemmbrett
- i
- Ruderkraft
- j
- Kraft am Ruderblatt
- k
- Wasserwiderstand
- l
- Bootslängsachse
- p
- Querkräfte
- q
- Kraft am Kurbellager
- r
- resultierende Ruderlagerkraft
(3 – 1,5)
- s
- Kraft an der Bootslängsachse
- h
- Kraft am Stemmbrett
- t
- Bootsvortriebskraft
- n
- Strebenlager
- m
- Boot
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Beim
Rudern wird die Ruderkraft i über
die Innenruderstrebe d auf die Kurbel f übertragen und von ihr über die
Außenruderstrebe
e auf das Außenruder
b, wobei sich die Ruder immer in die gleiche Richtung bewegen. Die
in Fahrtrichtung wirkende Kraft r am Ruderlager c und die entgegen
der Fahrtrichtung auf der Bootslängsachse
l wirkende Kraft s ergeben die in Fahrtrichtung gerichtete Bootsvortriebskraft
t der Größe 0,5x
die Ruderkraft i, die gleich groß der Kraft j am Ruderblatt
ist, die gegen den Wasserwiderstand k drückt. Außer den Ruderkräften und
Gegenkräften,
die durch den Wasserwiderstand entstehen, werden zusätzlich an
der Kurbel zwei Querkräfte
p und an jedem Ruderhebel a, b eine Querkraft p erzeugt, die durch
die gewählte
Ruderdimensionierung gleich groß und
einander entgegengerichtet sind. Die Kräfte p heben sich gegenüber dem
Ruderlager und gegenüber
dem Kurbellager einander auf, so dass keine Querkräfte auf
das Boot gelangen.
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Beim
Rudern werden die Kräfte
am Ruderblatt j, die resultierende Kraft r am Ruderlager c, sowie
die Kraft h am Stemmbrett o und die Gegenkraft q am Kurbellager
g erzeugt, die alle in Längsrichtung des
Bootes gerichtet sind.
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Die
resultierenden, auf das Boot einwirkenden Kräfte sind: die Vortriebskraft
r am Ruderlager c der Größe 1,5x
die Ruderkraft i und die auf der Bootslängsachse wirkende Gegenkraft
s = –1.
Die Kraft s ergibt sich aus der Kraft h am Stemmbrett o der Größe 1x die
Ruderkraft i minus der Gegenkraft q am Kurbellager g der Größe 2x die
Ruderkraft.
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Die
Drehmomente um das Ruderlager haben die Größe M = 0.
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Die
mit dem erfindungsgemäßen Vorwärtsruder
auf das Boot wirkenden Kräfte
sind in Größe, den Angriffspunkten
und der Richtung die gleichen wie am Ruderboot mit den herkömmlichen
Rudern. Deshalb sind die Rudereigenschaften und die Richtungsstabilität des Bootes
mit den vorgeschlagenen Vorwärtsrudern
gleich den Rudereigenschaften und der Richtungsstabilität des herkömmlichen
Ruderbootes.
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Damit
ist der Nachweis erbracht, dass das erfindungsgemäße Vorwärtsruder
anwendungstauglich ist.
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Der
Vorteil des erfindungsgemäßen Vorwärtsruders
besteht darin, dass der Ruderer in Fahrtrichtung sitzen kann und
das Ruderboot die gleich guten Rudereigenschaften und die gleich
hohe Richtungsstabilität
besitzt wie das traditionelle Ruderboot.
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Sinnvollerweise
sind die Ruderblätter
an den Außenrudern
drehbar anzuordnen und von den Drehgriffen aus beim Ruderzurückholen
flach zu stellen, z. B. über
Bowdenzüge
oder eine Lösung
unter Verwendung von biegsamen Wellen.
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Erwähnt sei
noch, dass der Wirkungsgrad der Ruder und die Richtungsstabilität des Bootes
erhöht
werden können,
wenn die Ruderblätter
horizontal frei drehbar um die Blattmitte am Außenruder gelagert werden, weil
dadurch das Verquirlen des Wassers und das Entstehen von Querkräften, auch
bei den herkömmlichen
Rudern auftretend, in den Endlagen des Ruders entfallen. Die Ruderblätter stellen sich
selbsttätig
optimal dem Wasserwiderstand entgegen.
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6 zeigt
ein 1. Beispiel, ein Doppelzweierruderboot mit dem erfindungsgemäßen Vorwärtsrudern
1 nach Patentanspruch 1.
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7 zeigt
einen Rudereiner mit den erfindungsgemäßen Vorwärtsrudern nach Patentanspruch
1 und Patentanspruch 2.
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Ausführungsbeispiele
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Beispiel
1: Bei dem in 6 dargestellten Doppelzweier-Ruderboot
mit den erfindungsgemäßen Vorwärtsrudern
nach Patentanspruch 1 sind die Innenruder mit den Außenrudern
horizontal drehbar und zur Wasserseite hin schwenkbar auf je einer Achse
an der Bordwand des Bootes gelagert und die Zugstangen an den Außenrudern
sowie die Druckstangen an den Innenrudern sind an verschiedenen Lagerstellen
der quer zum Boot angeordneten Kurbeln mit diesen durch Drehgelenke
verbunden. Die Kurbeln sind auf der Bootslängsachse horizontal drehbar
und in der Höhe
verschiebbar gelagert. Die Konstruktion des Ruders ist so ausgeführt, dass
beim ins Wasser abgesenkten Ruderblatt die Ruderhebel und die Kurbeln,
an denen die Zug- und die Druckstangen gelagert sind, den gleichen
Neigungswinkel zur Wasserseite hin einnehmen.
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Beispiel
2: Bei dem in 7 gezeigten Rudereiner sind
im Unterschied zu den Vorwärtsrudern in 6 die
Kurbeln gekrümmt
ausgeführt,
so dass aus den Druckstangen an den Außenhebeln der Ruder Zugstangen
geworden sind. Diese Ausführung des
erfindungsgemäßen Vorwärtsruders
beinhaltet mehrere Vorteile:
- 1. Zugstangen
sind mechanisch einfacher zu beherrschen als Druckstangen. Druckstangen
neigen zum Ausweichen bezüglich
der zu drückenden
Ruderhebel.
- 2. Durch die gekrümmten
Kurbeln ändern
sich die Kraftverhältnisse
der Vorwärtsruder,
die im dargestellten Ruderboot in 7 durch
die Anordnung der Zugstangen so genutzt sind, dass sowohl die Kräfte an den
Ruderlagern als auch die Kräfte
an den Kurbellagern geringer als bei dem in 6 gezeigten
Ruderboot sind.
- 3. Durch die geringeren Kräfte
an den Ruderlagern wird eine höhere
Richtungsstabilität
gegenüber
dem herkömmlichen
Rudern erreicht.