DE19613673C2 - Profilkörper zur Stabilisierung von windgetriebenen Wasserfahrzeugen, insbesondere Finne oder Kiel - Google Patents
Profilkörper zur Stabilisierung von windgetriebenen Wasserfahrzeugen, insbesondere Finne oder KielInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Profilkörper zur Stabilisierung von windgetriebenen Was
serfahrzeugen, insbesondere Finnen für Surfbretter oder Kiele bzw. Ballastkiele für Se
gelboote.
Es gibt seit längerem Bestrebungen, Kiele oder Finnen als Lateralflächen für
windgetriebene Wasserfahrzeuge in dem Sinne zu gestalten, daß sich je nach Fahrtrich
tung ein verschiedenartiges, spiegelbildliches Profil ergibt. Das Ziel dabei ist die Maxi
mierung des Verhältnisses der auf die Lateralfläche des Profilkörpers wirkenden Kraft
zu dessen Widerstandskraft.
Einerseits hat man versucht, diese Profilverstellung aktiv durchzuführen, etwa durch
hydraulische Verstellung sowie durch Umpumpen von Gasen oder Flüssigkeiten; vgl.
beispielsweise EP-OS 02 83 730, DE-PS 33 37 924, US-PS 48 60 680 oder
DE-OS 43 34 496.
Andererseits gibt es aber auch Bestrebungen, die Verstellung von abdrifthemmenden
Profilkörpern durch Ausnutzen der auf die Lateralfläche wirkenden Kräfte zu erreichen.
Dies bedeutet im wesentlichen die Analogie zu einem Segel, welches je nach Fahrtrich
tung durch den seitlich einfallenden Wind einen Bauch zur einen oder anderen Seite
bildet.
Die DE-OS 26 39 053 betrifft ein "gegensteuerndes Unterwasserschiff", bei dem ein im
Mittelteil flexibles, ansonsten starres Schwert sich durch seitlichen Druck durchbiegen
soll. Bei dieser Art würde sich jedoch durch die steife Anström- und Abströmkante ein
relativ unharmonisches Profil ergeben.
Bei einem gemäß der DE-OS 30 40 104 besseren, veränderbaren Profil ist der elasti
sche Profilkörper auf einen Rahmen gesteckt. Hier dürften sich Schwierigkeiten erge
ben, insbesondere hinsichtlich der seitlichen Festigkeit, da allein der Rahmenquerschnitt
sämtliche Seitenkräfte aufnehmen muß. Ein weiteres Problem ergibt sich durch die Lage
der Drehachsen, um die sich das vordere und hintere Profilsegment drehen. Da diese
Drehachsen innerhalb des Profilkörpers liegen, wird die Rotation, d. h. die Ausbildung
des Profils durch die Lateralkraft, erschwert oder gar verhindert, weil ein Teil des seit
lichen Wasserdrucks entgegen der gewünschten Rotationsrichtung wirkt. Dies ist der
Anteil des Wasserdrucks, der auf die Fläche vor bzw. hinter der von den beiden Drehach
sen umschlossenen Fläche wirkt.
In der DE-OS 31 26 371 ist ebenfalls eine profilvariable Finne dargestellt, mit einer
starren Mittelwandung und elastischen Seitenwandungen, die sich je nach Wasserdruck
verformen. Die DE-OS 35 19 279 zeigt gleichfalls eine starre Mittelwandung, aber
elastisch verformbare Membranen.
Die DE-OS 36 19 962 betrifft eine Lateralfläche vom Prinzip ähnlich der nach der
DE-OS 30 40 104 mit einem starren Rahmen und darauf gelagertem Profilkörper. Bei dieser
Ausführung ergibt sich jedoch ein sehr ungünstiges hydrodynamisches Profil vor allem
an der Abrißkante.
Das DE-GM 91 00 911 beschreibt eine Finne mit festem Mittelteil und elastisch wölb
baren Seitenteilen. Diese Seitenteile werden über Wassereintrittsöffnungen durch den
Staudruck des Wassers zu einem asymmetrischen Profil geformt. Diese Finne bewährte
sich jedoch nicht, weil sich "neben dem Auftrieb auch der Widerstand erhöhte", gemäß
DE-GM 94 03 714, das einen "bewegbaren Kiel" bzw. Finne mit auf die Lateralfläche
druckabhängigem Profil zum Gegenstand hat. Der Finnenkörper besitzt ein biegeela
stisches Mittelteil sowie ein festes Vorder- und Hinterteil, welche an der Finnenspitze
fest verbunden sind. Das Vorderteil besitzt eine Längsbohrung bzw. eine rechteckige
Öffnung, welche einen fahrzeugfesten Drehzapfen aufnimmt. Die Kritik an dieser Kon
struktion besteht darin, daß dieser Drehzapfen sämtliche auf die Lateralfläche wirkenden
Kräfte aufnehmen muß. Er ist aber in seiner Dimensionierung durch
den Profilquerschnitt begrenzt. Dadurch besteht Bruchgefahr des Drehzapfens in Höhe
der Finnenbasis. Ein weiterer Punkt ist die Gefahr des Verkantens des Drehzapfens
mit dem Vorderteil bei seitlicher Belastung, wodurch das Umschlagen unter Umständen
erheblich erschwert wird. Zudem liegt die Drehachse des Vorderteils sowie der Dreh
punkt des Hinterteils innerhalb des Profilkörpers, wodurch ebenfalls die Rotation (bzw.
das Umklappen) durch den auf die Lateralfläche wirkenden Druck erschwert wird. Bei
der gezeigten Ausführung wird die Variabilität des Profils zur Finnenspitze hin immer
geringer, das heißt nur der fahrzeugseitige Teil der Finne entwickelt das gewünschte
Profil; zur Finnenspitze hin wird das Profil symmetrisch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem Profilkörper nach dem
Prinzip der selbsttätigen Profilverstellung eines Strömungskörpers durch auf seine Late
ralfläche auftretende Kräfte in seinem Aufbau zu vereinfachen sowie die Wirkungsweise
zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Entscheidend neu an dieser Erfindung ist die Art der Kraftübertragung, mit der bei
einem profilvariablen, freitragenden Strömungskörper die auftretenden Auftriebskräfte
bzw. die Kräfte auf die Lateralfläche auf das Fahrzeug übertragen werden. Durch das
selbsttragende vordere 1 und hintere Segment 2 kann der gesamte Profilquerschnitt
abzüglich des Anteils für die flexible Mittelschicht 3 eine Tragefunktion erfüllen.
Weiterhin kennzeichnend ist die Anordnung des vorderen 8 und hinteren Bolzens 9,
deren Mittelachsen außerhalb des Profilkörpers verlaufen, wodurch die selbsttätige Pro
filverstellung zur jeweils gewünschten Seite gesichert wird. Der gesamte seitlich auf den
Profilkörper einwirkende Druck führt dadurch zu einer Rotation oder Profilwölbungs
verstellung in die gewünschte Richtung.
Anhand der Zeichnungen werden einige Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Profilkörper in seinem Aufbau,
Fig. 2 Profilkörper im Querschnitt (konkav, neutral, konvex),
Fig. 3 Profilkörper im Querschnitt (fahrzeugseitig),
Fig. 4 Flexibles Mittelsegment mit Dichtungsstegen,
Fig. 5 Schematische, räumliche Darstellung des Finnenkastens,
Fig. 6 Längsschnitt durch die gesamte Vorrichtung,
Fig. 7 Seitenansicht eines Profilkörpers in einer anderen Ausführungsform,
Fig. 8 Runde Ansatzstücke des Profilkörpers nach Fig. 7,
Fig. 9 Kasten für den Profilkörper nach Fig. 7,
Fig. 10 Längsschnitt des Profilkörpers in der Ausführung als Ballastkiel.
Fig. 1 zeigt den Profilkörper in seinem Aufbau. Er besteht aus einem vorderen 1
und hinteren Segment 2, welche bei einer Finne beispielsweise aus Kohlefaser-Epoxid
Laminat mit Faserverlauf in Längsrichtung bestehen und einem flexiblen Mittelsegment
3, welches die Profilverstellung ermöglicht. Dieser gummielastische Körper kann z. B. aus
Naturkautschuk oder PU-Elastomeren bestehen und wird mit vorderem 1 und hinterem
Segment 2 verklebt.
Ein vorderes 4 und ein hinteres Ansatzteil 5 nimmt jeweils das vordere 1 und das
hintere Segment 2 auf. Vorderes 4 und hinteres Ansatzteil 5 können beispielsweise aus
V2A-Stahl bestehen, wobei vorderes 1 und hinteres Segment 2 z. B. mit Epoxidharz
eingeklebt werden. Die Ansatzteile 4 und 5 können aber auch aus GFK, CFK oder
anderen Kunststoffen wie etwa Nylon bestehen.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Profilkörper. Fig. 2b zeigt den Profilkörper
in Neutralstellung, Fig. 2a und 2c in ausgelenkter Stellung. Eine Mittellamelle 7
kann wahlweise in den Profilkörper integriert werden. Sie besteht aus elastischem Mate
rial z. B. CFK oder GFK und ist mit dem vorderen 1 sowie hinteren Segment 2 verklebt.
Durch verschiedenartige Ausformung dieser Mittellamelle 7 kann die Profilausbildung
nach beiden Seiten (siehe Fig. 2a bzw. Fig. 2b) beeinflußt werden. So kann
z. B. die Wölbungsrücklage des Profils durch die Querschnittsform der Mittellamelle
7 verändert werden.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt am Fuß des Strömungskörpers. Hier wird die Ausbildung
des vorderen 4 und hinteren Ansatzteils 5 ersichtlich, welche jeweils eine Bohrung zur
Aufnahme des vorderen 8 und hinteren Bolzens 9 aufweisen (siehe Fig. 6).
Mit dem flexiblen Mittelsegment 3 sowie dem vorderen 4 und hinteren Ansatzteil 5 sind
zwei Dichtungsstege 6 verklebt (siehe Fig. 1 und Fig. 4). Sie bestehen aus gummiela
stischem Material. Diese Dichtungsstege 6 dichten den Kasten zum vorbeiströmenden
Wasser hin ab, indem sie von innen an dem tropfenförmigen Ausschnitt des Kastens
anliegen (siehe Fig. 5). Der tropfenförmige Ausschnitt im Finnenkasten hat daneben
die Funktion eines Anschlags für den Strömungskörper, wenn sich dessen Profil durch
den Druck auf die Lateralfläche wölbt. Die Größe und Form dieses Ausschnitts hat
damit einen entscheidenden Einfluß auf die Ausbildung des Profils.
Fig. 5 zeigt schematisch in räumlicher Darstellung den möglichen Aufbau eines Fin
nenkastens, welcher z. B. bei einem Surfbrett mit entsprechender Aussparung montiert
werden kann. Zu erkennen sind jeweils die gewindeseitigen Enden des vorderen 8 und
hinteren Bolzens 9, auf welchen das vordere 4 und das hintere Ansatzteil 5 drehbar ge
lagert sind. Das Vorder- und Hinterteil des Finnenkastens 10, 11 werden durch Verbin
dungsschrauben 12 und zugehörigen Muttern 13 zusammengehalten. Durch Langlöcher
kann der Abstand zwischen vorderem 8 und hinterem Bolzen 9 variiert werden, wodurch
Einfluß auf die Wölbung des Profils genommen werden kann.
Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch einen Finnenkasten mit eingebautem Pro
filkörper, welcher sich in Neutralstellung befindet. Hier ist die Anordnung des vorderen
8 und hinteren Bolzens 9 zu erkennen, welche bei seitlicher Belastung des Profilkörpers
nur Scher- nicht aber Biegekräften ausgesetzt sind, da sie an beiden Enden festsitzen.
Mit einer Befestigungsschraube 14 wird der Finnenkasten am Fahrzeug gesichert. Di
stanzhalter 15 ermöglichen ein ausreichend festes Anziehen der Verbindungsschrauben
12 und der dazugehörigen Muttern 13, damit das Vorder- und Hinterteil des Finnen
kastens 10, 11 relativ zueinander in der gewählten Position bleiben.
Da vorderer und hinterer Bolzen 8 und 9 jeweils an beiden Enden befestigt sind (siehe
Fig. 6), werden diese bei vorliegender Konstruktion überwiegend durch Scher- und
nicht durch Biegekräfte belastet, wodurch relativ geringe Bolzenquerschnitte ausrei
chend sind.
Zudem entsteht durch die beidseitige Befestigung nicht die Gefahr des Verkantens des
vorderen 4 und hinteren Ansatzteils 5 auf dem vorderen 8 bzw. hinteren Bolzen 9 bei
seitlich auftretender Belastung.
Fig. 7 zeigt die Seitenansicht eines Profilkörpers mit bolzenartigem vorderen 16 und
hinteren Ansatzstück 17, welche einen runden Querschnitt aufweisen (siehe Fig. 8).
Fig. 9 zeigt einen Kasten 20 mit zwei Bohrungen, in denen die beiden Ansatzstücke 16
und 17 dieses Profilkörpers drehbar gelagert sind. Die beiden Ansatzstücke 16 und 17
werden im Kasten durch die vordere 18 und hintere Schraube 19 gesichert. Der Kasten
wird mit der Sicherungsschraube 26 am Fahrzeug befestigt.
Fig. 10 zeigt den Längsschnitt durch einen profilvariablen Strömungskörper, an des
sen freiem Ende ein tropfenförmiger Abschlußkörper 21 angebracht ist. Dieser Ab
schlußkörper 21 besteht, beim Einsatz des Strömungskörpers als Ballastkiel bei einem
Segelfahrzeug, aus einem Material hoher Dichte wie z. B. Blei.
Eine andere Funktion ist die Verminderung von unerwünschten Randwirbeln am freien
Ende eines Strömungskörpers, welche durch den Druckausgleich zwischen Über- und
Unterdruckseite entstehen. Das vordere 1 sowie das hintere Segment 2 sind mit dem
vorderen 22 und hinteren Aufnahmeteil 23 verklebt. Die beiden Aufnahmeteile 22 und
23 weisen jeweils eine Bohrung auf, durch die sie mit dem vorderen 24 und hinteren
Schraubstift 25 am Abschlußkörper 21 angelenkt sind.
Claims (15)
1. Profilkörper zur Stabilisierung von windgetriebenen
Wasserfahrzeugen, insbesondere Finne, bestehend
aus einem vorderen Segment (1), einem flexiblen Mittelsegment (3) und einem hinte
ren Segment (2), die miteinander verbunden sind, wobei das vordere und das hintere
Segment (1, 2) selbsttragend ist und aus form- und biegesteifen Werkstoffen besteht,
die fahrzeugseitig Ansatzteile (4, 5) aufweisen, wobei an der Vorderkante des vorderen
Ansatzteils (4) und der Hinterkante des hinteren Ansatzteils (5) eine Drehachse für das
selbsttätige Verschwenken der Segmente (1, 2) angeordnet sind, wobei die Drehachsen
an den Ansatzteilen (4, 5) mittels Bolzen (8, 9) gebildet werden, welche im Wasser
fahrzeug jeweils an der Ober- und Unterseite der Ansatzteile (4, 5) befestigt werden.
2. Profilkörper zur Stabilisierung von windgetriebenen
Wasserfahrzeugen, insbesondere Finne, beste
hend aus einem vorderen Segment (1), einem flexiblen Mittelsegment (3) und einem
hinteren Segment (2), die miteinander verbunden sind, wobei das vordere (1) und das
hintere Segment (2) jeweils um eine Drehachse schwenkbar ist, wobei das vordere und
das hintere Segment (1, 2) selbsttragend ausgeführt ist und aus form- und biegesteifen
Werkstoffen besteht und an der dem Fahrzeug zugewandten Seite jeweils ein bolzenar
tiges Ansatzstück (16, 17) zur Anlenkung am Fahrzeug aufweist.
3. Profilkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vorderes und
hinteres Segment (1, 2) aus unidirektionalem Kohlefaser-Epoxid Laminat, Kombination
von GFK und CFK, Stahl oder anderen biegesteifen Werkstoffen bestehen.
4. Profilkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine biegestabile,
profilierte Mittellamelle (7) vorgesehen ist.
5. Profilkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vordere und hintere
Ansatzteil (4, 5) aus V2A-Stahl, CFK, GFK oder anderen Kunststoffen (wie etwa
Nylon) bestehen.
6. Profilkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Mit
telsegment (3) aus Naturkautschuk, 2-Komponenten PU Gießmasse oder geschlossenpo
rigem, gummielastischen Schaumstoff besteht und das flexible Mittelsegment (3) mittels
elastischem PU-Kleber eingeklebt oder in eine Form eingegossen wird.
7. Profilkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dessen freiem
Ende jeweils zum vorderen und hinteren Segment (1, 2) ein Aufnahmeteil (22, 23)
angeformt ist, welches Führungsbohrungen aufweist, über welche ein Abschlußkörper
(21) mittels Schraubhilfen (24, 25) befestigbar ist.
8. Profilkörper nach einem der Ansprüche 1, 3-7, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus
einem Vorder- und Hinterteil (10, 11) bestehender Kasten (20) die Ansatzteile (4, 5)
und die zwei Bolzen (8, 9) aufnimmt.
9. Profilkörper nach einem der Ansprüche 1, 3-8, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kasten mit einer Befestigungsschraube (14) im Fahrzeug gesichert ist.
10. Profilkörper nach einem der Ansprüche 1, 3-9, dadurch gekennzeichnet, daß
das Vorder- und Hinterteil (10, 11) des Kastens (20) mit den beiden Bolzen (8, 9)
gegeneinander verstellbar ist.
11. Profilkörper nach einem der Ansprüche 1, 3-10, gekennzeichnet durch Dichtungs
stege (6) zwischen dem Profilkörper und dem tropfenförmigen Ausschnitt des Kastens
(20).
12. Profilkörper nach einem der Ansprüche 2, 3-7, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Kasten (20) zwei Aushebungen aufweist, in welche die bolzenartigen Ansatzstücke (16,
17) des selbsttragenden vorderen und hinteren Segments (1, 2) gelagert sind.
13. Profilkörper nach Anspruch 8 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Fahrzeug
eine Ausnehmung zur Aufnahme des Kastens (20, 20a) vorhanden ist.
14. Profilkörper nach einem der Ansprüche 2, 3-7, 12 mit Kasten, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Kasten (20a) mit einer Sicherungsschraube (26) am Fahrzeug befestigt
ist.
15. Profilkörper nach den Ansprüchen 1, 3-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bolzen
(8, 9) als Führungselemente für den Profilkörper im Fahrzeug befestigt sind und eine
Ausnehmung für die Ansatzteile (4, 5) des Profilkörpers vorgesehen ist.
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