DE10350473A1

DE10350473A1 - Flossenantrieb von Muskelkraft mit Doppelkurbel

Info

Publication number: DE10350473A1
Application number: DE2003150473
Authority: DE
Inventors: Ernst Otto
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2005-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Flossen-Vortriebsmechanismus für Wasserfahrzeuge, der über ein einfaches Koppelgetriebe die wellenartige Bewegung von Fischflossen nachahmt. DOLLAR A Der Mechanismus wird zweckmäßig paarweise verwendet, um die vorteilhaften Wirkungen des Reaktionskraftausgleichs und der Steuermöglichkeit auszuschöpfen, die Vorwärts-, Rückwärts-, Kurvenfahrt und Auf-der-Stelle-drehen ermöglicht. Jede Flosse wird von einer Doppelkurbel auf gleicher Welle angetrieben. Die erste dient zur Betätigung für Hand oder Fuß. Die zweite realisiert im Koppelgetriebe den erforderlichen Bewegungsablauf der Flosse, der aus einer überlagerten Winkel- und Querbewegung besteht. Die beiden Funktionen Betätigung und Flossenschub können in einfachster Ausführung in ein und derselben Kurbel vereinigt sein. DOLLAR A Das antriebslose Dahingleiten kann mit beiden Endlagen der Flossen nahezu widerstandslos geschehen, günstig wegen der geringen Antriebsleistung bei Muskelantrieben. DOLLAR A Es sind Hand-, Fuß- und auch Motorantrieb möglich.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft Vortriebsmechanismen, vorzugsweise für Wasserfahrzeuge, die zum Vortrieb flossen- bzw. flügelähnlich geführte Blätter verwenden.
Hintergrund und Stand der Technik
Für eine energiesparende Fortbewegung zu Lande hat der Mensch das Fahrrad erfunden. Es verbessert ihm die Fortbewegung ohne weitere Energieverwendung als die Muskelkraft auf vielfache Geschwindigkeit bzw. zu bewältigende Entfernung. Dies geschieht nur durch Einsparung unnützer Nebenarbeit und lässt zusätzlich noch das Mitführen der Maschine zu.
Bemühungen für einen ähnlich sinnvollen Transport des Menschen zu Wasser haben aber bisher zu keinem so ausgereiften Ziel geführt. Man betrachte nur die oft effektschwachen Bemühungen, die Beinkraft auf Tretbooten in Vortrieb umzusetzen. Bei den Radantrieben wird vor allem viel geplanscht. Die Schraubenantriebe erfordern verlustreiche Übersetzungen. Als am meisten energieeffizient kann derzeit das Sportruderboot betrachtet werden. Es ist aber unbequem, ja sogar für den Ungeübten gefährlich. Das richtige Eintauchen und Führen der langen Ruder erfordert erhebliches Geschick und Haltearbeit. Dabei nicht nass zu werden ist ein weiteres Problem. Wohin schließlich mit den sperrigen Rudern bei Nichtbenutzung?
Schauen wir zu den Fischen. Die Patentliteratur enthält zahlreiche Antriebe für Wasserfahrzeuge, die Flossenelemente zur Grundlage haben. Folgende Mängel haften aber den meisten dieser Erfindungen mehr oder weniger an:

– Der Bediener muss eine wenig komfortable Stellung einnehmen
– Für nur eine Bewegungsart meist an der Vorderkante geführte, drehend schlagende Flossen arbeiten verlustreich.
– Wird die überlagerte Hubbewegung nicht zwangsgeführt, eignen sie sich nur für einen bestimmten Frequenzbereich oder arbeiten nicht stoßfrei. Beide Arten eignen sich nicht ohne weiteres zur Schubumkehr.
– Die Lage der Flossen am Heck eignet sich wegen des notwendigen Übertragungsmechanismus kaum für einen energiesparenden Muskelantrieb.
– Die zwangsgeführten Flossen für überlagerte Hub- und Schwenkbewegung, die die o. a. Nachteile vermeiden, konnten sich nicht durchsetzen, weil eine verlustarme, zweckmäßig einfache und damit auch kostengünstige Realisierung des Bewegungsmechanik bisher fehlt,
– vorhandene Konzepte nicht für Muskelantrieb geeignet sind oder wenn dieser als möglich genannt wird,
– keine Ausführung dargelegt wird, kein Komfort und nicht die gebotenen Manövriermöglichkeiten vorhanden sind.

Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bootsantrieb für jedermann anzubieten, der mit bequemer Körperhaltung ohne große Geschicklichkeit, aber mit hohem Wirkungsgrad funktioniert, bei dem die Kraft lediglich für den Vortrieb und nicht großteils zum Halten der Antriebsteile eingesetzt wird.
Lösung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Flossen-Vortriebsmechanismus gelöst, der über ein einfaches Koppelgetriebe die wellenartige Bewegung von Fischflossen nachahmt. Hier wird auch die konstruktive Gestaltung dargelegt, so dass sie anwendungsbereit ist und nach bestimmten Größenanpassungen an diverse Boote angebaut werden könnte.
Der Mechanismus wird zweckmäßig paarweise verwendet, um die vorteilhaften Wirkungen des Reaktionskraftausgleichs und der Steuermöglichkeit auszuschöpfen. Jede Flosse wird von einer Doppelkurbel auf gleicher Welle angetrieben. Die erste dient zur Betätigung für Hand oder Fuß. Die zweite realisiert im Koppelgetriebe den erforderlichen Bewegungsablauf der Flosse, der aus einer überlagerten Winkel- und Querbewegung besteht. Die beiden Funktionen Betätigung und Flossenschub können in der einfachsten Ausführung in ein und derselben Kurbel vereinigt sein.
Das antriebslose Dahingleiten kann mit beiden Endlagen der Flossen nahezu widerstandslos geschehen. Diese Forderung erhebt sich wegen der geringen Antriebsleistung bei Muskelantrieben und wird von herkömmlichen, ständig im Wasser befindlichen Schiffsantriebselementen wie Schaufelrädern und Schrauben nicht erfüllt.
Vorteile der Erfindung gegenüber herkömmlichen Muskel-Antrieben sind:
Allgemein:

– Leistung nur für Vortrieb, keine Geschicklichkeit und Haltearbeit nötig
– großvolumige Wasserbewegung, geringe Wasserbeschleunigung und damit guter Wirkungsgrad
– effektiver Beinantrieb möglich
– antriebslos kaum Wasserwiderstand

Horizontal bewegt:

– Windwiderstand unerheblich
– geringster Tiefgang
– Wie bei Paddel- und Ruderbooten im eingelegten Zustand der Flossen geringste Bootsbreite
– Bei Paar-, oder Außenbordanordnung mit Kompensation Steuereinrichtung nicht nötig, Flossen lenken auch das Boot
– keine Planschverluste, Antriebselement immer im Wasser
– kein Spritzwasser, keine Nässe im Boot
– geringste Ausladung und Bewegung, kaum Gefahr für Schwimmer
– nur geringe Rückwirkungen auf die Bootsstabilität, kein Ein- u. Austauchen
– Schallarmes Fahren (Fischfang, Forschung)
– Normal kein Durchbruch der Bootshaut mit Antriebsteilen

Vorteile gegenüber bisher bekannten Flossenantrieben:

– Vorwärts-Rückwärts-Kurvenfahrt und Auf-der-Stelle-drehen
– Vorwärts und rückwärts gleich hoher Wirkungsgrad mit folgenden Maßgaben; Es wird höchstens Wasser gegen die Schubrichtung bewegt – 5% wenn Flossenlänge² = 1,0·Wirk-Pleuellänge³/Schubkurbelradius 3% wenn Flossenlänge² = 0,6·Wirk-Pleuellänge³/Schubkurbelradius 2% wenn Flossenlänge² = 0,4·Wirk-Pleuellänge³/Schubkurbelradius
– übersichtlicher Mechanik
– bequeme Sitzposition des Bedieners
– Antriebselemente im Blickfeld
– Nähe der Bootswand begünstigt beim Einwärtshub das Anfahren

Ausführungen
Befinden sich die Flossen als "Ruder- oder Paddelersatz" in horizontaler Bewegungsebene zu beiden Seiten des Bootes außenbords, bewegen sie sich von diesem weg und wieder darauf zu. Die Hände führen Drehbewegungen aus, die vorwärts denen beim Brustschwimmen ähneln. Für rückwärts dreht man einfach anders herum. Für Kurvenfahrt werden, wie beim Rudern, beide Kurbeln in einer Richtung gedreht. Da es also vier Möglichkeiten gibt, die Drehrichtungen zu kombinieren, sind damit die vier Bootsrichtungen voraus, zurück, backbord, steuerbord abgedeckt.
Es ist ein Bausatz "Spezial-Rudereinrichtung" möglich, der sogar wahlweise anstelle von Paddeln oder Rudern eingesetzt bzw. nachgerüstet werden kann. Zum Anlegen, bei Begegnungen, in Schleusen etc. können die Flossen "reingenommen" werden.
Sollen Tretboote ausgerüstet werden, bietet sich die vertikale Anordnung der Kurbelkreise bei horizontaler Lage der Kurbelwelle an.
Hier sollten ähnlich Mehrzylinderreihenmotoren aus Ausgleichsgründen mehrere Flossen nebeneinander liegen und zwischen Pontons oder den Bootskörpern angeordnet sein. Denkbar ist aber auch eine paarweise Außenbordanordnung. Fahren zwei Personen, können sie bei getrennten Kurbelwellen auch ohne zusätzliche Steuereinrichtung auskommen und sogar auf der Stelle drehen. Nahe der Wasserlinie kann eine Spritzwand eingebaut werden, die auch die Strömung beim Anfahren im Aufwärtshub verbessert.
Die Flossen-Reaktionskräfte lassen sich über passende Kurbelstellungen auch, wenigstens teilweise, mit den im Fahrzeug wirkenden Massenkräften ausgleichen. Die oszillierenden Massen zum Beispiel der Beine können hier vorteilhaft zur Kompensation eingesetzt werden. Auch aus diesem Grund sind die auf gleicher Welle liegenden Kurbeln für Betätigung und Flossenschub vorteilhaft.
Motorantrieb
Bei Einsatz mäßiger Drehzahl lassen sich die Flossen wahlweise mit Motoren antreiben.
Beschreibung, siehe 4 Blatt Zeichnungen:
1 zeigt die innere,
2 die äußere Flossenendlage,
3 die 90⌀-Zwischenstellungen (Hauptschub),
4 den Tretantrieb mit Endlagen
Beginnt man mit Hand oder Fuß die Betätigungskurbel (1) in der Pfeilrichtung zu betätigen, bewegt die Schubkurbel (2) das Pleuel (3) nach außen, während es gleichzeitig die starr daran befestigte Flosse (4) in Pfeilrichtung dreht und schiebt. Nach einer Halbdrehung der Kurbel erreicht die Flosse ihre andere Endlage. Nach einer Volldrehung kehrt sie zum Ausgangspunkt zurück.
Das Pleuel ist in der Ausführung Kurbelschwinge an der Schwinge (5) angelenkt, in der Ausführung Schubkurbel (nicht gezeichnet) läuft der äußere Pleuelanlenkpunkt in einer Geradführung, z.B. einer Teleskopschiene. Das Getriebe wird mit der Lage seiner Glieder so angeordnet, dass in den Endlagen die Flosse immer parallel zur Schubrichtung liegt.
Dieser Anspruch wird bei Anwendung der Schubkurbel mit der Maßgabe erfüllt, dass der Kurbeltrieb nicht verschränkt laufen darf. Die Durchmesserlinie des Kurbelkreises muss in Fortsetzung der Schublinie des Flossenmittelpunktes liegen.
Bei Anwendung der Kurbelschwinge muss die Fortsetzung der Durchmesserlinie durch zwei Punkte des Schwingenkreises gehen, die eine Sehne von der Länge des Kurbelkreisdurchmessers festlegen.
Die Schubrichtung ist mit der Kurbeldrehrichtung umkehrbar.
Der dargestellte Tretantrieb kann mit zwei Kurbelwellen (im Mittellager geteilt) ausgeführt sein. In dem Fall ist die volle Manövrierfähigkeit des Tretbootes ohne Ruder gegeben. Bei durchgehender Kurbelwelle, die den vollständigen Ausgleich der Reaktionskräfte und -momente ermöglicht, muss für zusätzliche Steuermöglichkeit gesorgt werden.

Claims

Vorrichtung zu Erzeugung von Vortrieb an einem vornehmlich muskel-, für bestimmte Fälle auch motorbetriebenen Wasserfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass sie die abdichtende Haut tragender Boots- oder Schwimmkörper unter der Wasserlinie nicht durchdringt, dass die als viergliedriges Koppelgetriebe in Gestalt Kurbelschwinge oder Schubkurbel zwangsgeführte Bewegung und Führung von als Flossen wirkenden Blättern von jeweils auf der gleichen Kurbelwelle liegenden Betätigungskurbeln vom in oder auch gegen die Fahrtrichtung sitzenden Fahrer mittels verschiedener Drehrichtungen zur Vorwärts- und Rückwärts-, als Zweifachantrieb auch zur Kurvenfahrt und zum Auf-der-Stelle-drehen genutzt wird, wobei die Flossen, die über die paarige Ausführung vollen oder über die Masse der Bedienungsextremitäten wenigstens teilweisen Reaktionskraftausgleich erfahren können, in der größten Schrägstellung höchstens einen Winkel von 40° zur Fahrzeuglängsachse bilden mit Drehpunkt in der Mitte des doppeltsymmetrischen Flossenquerschnittes, der eine Länge von mindestens dem halben Querhub hat, höchstens aber nach folgenden Maßgaben zu bemessen ist: Flossenlänge² = Wirk-Pleuellänge³/Schubkurbelradius für max. 5%, Flossenlänge² = 0,6·Wirk-Pleuellänge³/Schubkurbelradius für max. 3%, Flossenlänge²= 0,4·Wirk-Pleuellänge³/Schubkurbelradius für max. 2% Wasserverdrängung gegen die Schubrichtung und dessen Längsachse in beiden Endlagen, erreicht nach jeweils einer Kurbelhalbdrehung, parallel zur Fahrtrichtung liegt, womit im antriebslosen Zustand geringster Wasserwiderstand gewährleistet ist.
Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch Verstellen des Schubkurbelradius oder/und der Pleuellänge verschiedene Übersetzungen einstellen lassen.
Antrieb nach Anspruch 1. u. 2., dadurch gekennzeichnet, dass sich für verschiedene Transportaufgaben oder Belastungen die Flossen nach unterschiedlicher Form und Größe austauschen lassen.
Antrieb nach Anspruch 1. bis 3., dadurch gekennzeichnet, dass er sich als Baueinheit einfach vom Boot entfernen und wieder anbauen lässt, also auch als Ersatz für Paddel oder Ruder nachrüstbar und somit ohne Angreifen oder Durchbrechen der Bootshaut als Außenbordantrieb geeignet ist.
Antrieb nach Anspruch 1. bis 3., dadurch gekennzeichnet, dass die Flossenbewegung vertikal erfolgt, z.B. zum Bewegen eines Tretbootes.
Antrieb nach Anspruch 1. u. 5., dadurch gekennzeichnet, dass die Flossen geschützt in einen Kanalkasten eingebaut sind, der an seinen Wänden auch wesentliche Teile der Reaktionskräfte aufnimmt und die Strömungsführung, besonders beim Anfahren verbessert.
Antrieb nach Anspruch 5., dadurch gekennzeichnet, dass in N"he der Wasserlinie über den Flossen eine Spritzwand eingebaut ist, die beim Flossen-Aufwärtshub auch zur Anfahrverbesserung dient.
Antrieb nach Anspruch 5. bis 7., dadurch gekennzeichnet, dass wie bei Mehrzylindermotoren zwecks Ausschalten schädlicher Reaktionskräfte bzw. -momente auf gleicher Welle mehrere Flossen-Schubkurbeln nebeneinander mit um 180° über den Kurbelkreis verteilten Wirkungen angeordnet sein und auch mehrere Betätigungskurbeln auf die gleiche Welle arbeiten können.
Antrieb nach Anspruch 1., 5. bis 7., dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleich von Massen-, oder Reaktionskräften Gegengewichte in den Kurbeln angeordnet sein können.
Antrieb nach Anspruch 1. bis 9., dadurch gekennzeichnet, dass die betätigte Kurbel gegen die Flossenantriebskurbel um einen solchen Winkelbetrag gegeneinander verdreht ist, dass der effektivste Hubkrafteintrag erfolgen kann oder auch dafür, dass die an der Kurbel wirkende Massenkraft die Flossenreaktionskraft wenigstens teilweise kompensiert.
Antrieb nach Anspruch 1. bis 10., dadurch gekennzeichnet, dass sich auf die Kurbelwelle(n) ein Hilfsmotor aufstecken lässt, der zweckmäßig auch umsteuerbar ist.
Antrieb nach Anspruch 1. bis 11., dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtpleuellänge zwischen Kurbel und Flosse über das zwischen den beiden Anlenkpunkten befindliche Stück Wirk-Pleuellänge hinaus gehen kann, womit auch die am Pleuel angebrachte Flosse vom äußersten Anlenkpunkt abrückt.