DE19901926C1 - Vorrichtung zum Ausbilden eines Rotationspneus, insbesondere für einen Schirm - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausbilden eines Rotationspneus mit einer drehbar gelagerten Membran (8), insbesondere für einen Schirm, welche durch einen Antrieb in Rotation versetzt wird. Durch den Zuschnitt der Membran (8) wird bei Rotation ein Volumen geschaffen, in das Außenluft durch eine Lufteintrittöffnung (14) einströmt. Durch die auf die Membran und die eingeströmte Luft wirkenden Trägheitskräfte wird bei Rotation ein innendruckgestützter Pneu ausgebildet (Fig. 3).

Description

Die Erfindung geht aus von bereits bekannten Schirmkonstruktionen. Insbesonde­ re sind große Schirme von Interesse, die beispielsweise als Regen- oder Sonnen­ schutz und zur Werbung auf Messen oder bei Großveranstaltungen dienen und nach Bedarf geöffnet und geschlossen werden können.

Derartige Schirme werden üblicherweise durch Zeltdächer gebildet, die durch klappbare Druckstäbe aufgefaltet und vorgespannt werden, um eine stabile Kappe zu formen.

Bei starkem Wind, der besonders bei großen Schirmen an der Kappe angreift, kann es jedoch zum Brechen der Druckstäbe kommen, wobei unter dem Schirm stehende Personen verletzt werden können.

Aus der Schrift DE 197 05 572 A1 ist eine Sonnenschutzeinrichtung bekannt, bei der radial abspreizbare Schirmarme flächige Elemente tragen. Die Schirmarme können um einen senkrecht stehenden Mast rotiert werden. Dabei klappen diese in Abhängigkeit der Rotationsgeschwindigkeit nach oben.

Eine andere bekannte Möglichkeit einen Schirm aufzuspannen besteht darin, anstelle der Druckstäbe Gewichte am Umfang der Kappe anzubringen und diese zu drehen, so daß die auf die Gewichte wirkende Trägheitskraft den Schirm aufspannt (siehe F. Otto, Mitteilungen des Instituts für leichte Flächentragwerke IL5, Stuttgart 1972).

Um bei großen Schirmen einen stabilen Lauf auch bei Wind zu sichern, sind bei dieser Konstruktion jedoch große Gewichte notwendig. Diese Gewichte stellen wiederum ein Gefährdungspotential für Personen im Umkreis des Schirmes dar.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schirm zu schaffen, der einfach hand­ habbar ist und insbesondere bei aufkommendem Wind schnell und automatisch geschlossen werden kann und der aus flexiblen Materialien geringer Masse besteht, so daß das Gefahrenpotential reduziert wird.

Die Erfindung wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den den Anspruch 1 kenn­ zeichnenden Merkmalen.

Erfindungsgemäß wird durch die Rotation einer Membran, die ein Luftvolumen umhüllt, ein Pneu geschaffen, der als Schirm verwendet werden kann. (Als Pneu wird hier nach der Definition von F. Otto (Mitteilungen des Instituts für leichte Flächentragwerke IL9, Stuttgart 1976) ein System bezeichnet, bei dem eine im wesentlichen zugfeste, biegeunsteife Hülle eine Füllung umhüllt und gegen ein äußeres Medium abgrenzt.) Voraussetzung ist, daß die Membran so zugeschnit­ ten ist, daß sie bei Rotation ein Volumen um die Drehachse ausbildet und das Volumen mindestens eine Lufteintrittsöffnung aufweist, durch die Luft in den von der Membran geschaffenen Raum einströmen kann. Der Zuschnitt ist deshalb derart, daß die Membran zwei Kappen aufweist, die durch einen Äquator getrennt werden. Die Kappen sind dadurch gekennzeichnet, daß der Umfang von den, die Kappen senkrecht zur Drehachse schneidenden Flächen, von der Nabe bis zum Äquator, also der Fläche maximaler Ausdehnung, hin zunimmt. Die Trägheits­ kräfte der Membran selbst und der mitbewegten Luft sorgen dann für das Auffal­ ten der Membran.

Der innere Überdruck nimmt zu größeren Radien hin zu und wird bei gegebener Drehzahl maximal, wenn die Lufteintrittsöffnung nahe des Drehpunkts liegt.

Der Auffaltvorgang wird unterstützt durch einen Unterdruck, der bei Drehung an der äußeren Oberfläche der Membran durch den Magnuseffekt entsteht. Zum Aufspannen des Pneus sind also nur ein Antrieb und eine relativ leichte drehbar gelagerte Membran notwendig; alle gefährlichen schweren Konstruktionselemente bekannter Schirme entfallen. Als äußerlich konventionelle Schirmkonstruktion kann die Membran auf einer Stange gelagert sein und zum Beispiel mit Hilfe eines Motors in Rotation versetzt werden. Es ist aber auch vorstellbar, den Pneu starr oder auch gelenkig an einem Traggestell aufzuhängen.

Als Antrieb bietet sich ein Motor (z. B. Elektromotor) an, der im Bereich der Dreh­ achse angreift. Es ist aber auch vorstellbar, den Rotationspneu durch einen Antrieb zu beschleunigen, der am äußeren Rand angreift, wie zum Beispiel ein motorisch angetriebener Propeller, der eine tangentiale Druckkraft auf den Äquator des Pneus ausübt. Die Krafteinleitung kann auch durch einen Impulsan­ trieb erfolgen. Dies kann mittels durch tangential angeordnete Düsen austreten­ des Wasser oder eine Verbrennung mit tangential gerichtetem Ausstoß der Verbrennungsprodukte geschehen.

Bei entsprechendem Zuschnitt der Membran nimmt der Pneu unter Rotation seine natürliche Form ein, die einem gleichmäßigen Verlauf der Zuglasten in der Membran entspricht. Wie in Fig. 1 im achsenparallelen Schnitt dargestellt, ergibt sich eine torusähnliche Form. Um der Form ein schirmartiges, also insbesondere flacheres Aussehen zu geben, werden innerhalb des Pneus Zugelemente ange­ ordnet. Die Ausdehnung des Pneus parallel zur Drehachse kann durch Spanten, die die beiden Membrankappen miteinander verbinden, begrenzt werden. Dadurch wird der Pneu in die Form eines Schirms gebracht und bietet dem Wind weniger Angriffsfläche. Die Spanten sollten, ebenso wie die Membran aus einem zugfesten biegsamen Material bestehen. Dies kann dasselbe Material sein, wie es für die Membran selbst verwendet wird. Also Zeltstoff, Segeltuch, Spinnakertuch, Kunst­ stoffolie oder ein anderes möglichst leichtes, flexibles aber zugfestes und eventu­ ell wasserdichtes Gewebe, oder aber ein luftdurchlässiges Netz oder ein Anzahl von Seilen. Auf jeden Fall sollten durch die Spanten keine luftdichten Kammern abgetrennt werden.

Bei schnell drehenden Rotationspneus können sich bei Anordnung der Luftein­ trittsöffnungen im Bereich der Nabe bei einer Luftzirkulation durch den gesamten Pneu innere Überdrücke aufbauen, die zu hohen Spannungen in der Membran führen. Um dieses Problem zu entschärfen, kann der gesamte Pneu auch in zwei oder mehrere Druckkammern unterteilt werden. Diese müssen dann gegeneinan­ der abgeschlossen und mit jeweils mindestens einer Lufteintrittsöffnung nach außen versehen sein.

Die Öffnungen können sich an jeder beliebigen Stelle an der Membran befinden. Es ist auch möglich, die Membran aus teilweise luftdurchlässigem Material zu formen.

Um die Luftreibung am Äquator gering zu halten, ist vorgesehen, den Pneu rotationssymmetrisch um seine Drehachse zu gestalten. Aus Fertigungsgründen ist aber auch vorgesehen, die Form eines Vieleckes zu realisieren. Abweichungen von dieser Form sind aber ebenso möglich. Vorstellbar sind hier elliptische oder sternförmige Umfangsformen.

Durch die Anordnung der Spanten im Inneren des Pneus ist die Oberfläche nicht glatt, sondern durch den Innendruck nach außen gewölbt, wie in Fig. 4 schema­ tisch dargestellt ist. Dadurch erhöht sich der Luftwiderstand bei Rotation. Um dem Pneu eine glatte Oberfläche zu geben, ist auch vorgesehen, Teile des Pneus doppelwandig auszubilden. Hierbei ist nur die innenliegende Membran mit den Spanten verbunden, die außen liegende ist mit der inneren Membran ist an den Hochpunkten der sich bei innerem Überdruck bildenden Wulste befestigt. Dabei wird das zwischen beiden Wänden liegende Luftvolumen durch Druckausgleich­ söffnungen auf Umgebungsluftdruck gehalten.

Durch die Drehung des Pneus ist im Bereich des Äquators mit Verwirbelung der Umgebungsluft zu rechnen, die zu einer Erhöhung der notwendigen Antriebslei­ stung führen kann. Um diese Wirbelbildung zu verringern, ist auch vorgesehen, die Membran am Äquator mit zusätzlichen Leitflügeln zu versehen. Diese können aus einer Membran oder aus biegesteifen Materialien bestehen.

Im Stillstand ist der Rotationspneu nicht mit Luft gefüllt und die Membran bildet eine große Windangriffsfläche. Beim Beschleunigen muß sichergestellt sein, daß der Pneu frei rotieren und sich mit Luft füllen kann. Dazu ist vorgesehen, Teile des Pneus aus einer zugelastischen Material zu fertigen oder elastische Zugelemente an der Membran zu befestigen. Ebenso ist vorstellbar, spiralförmige Stahlfedern in den Pneu zu integrieren, die die Membran bei geringem Innendruck zusammen­ rollen.

Diese Elemente ermöglichen eine automatische Formänderung des Pneus in Abhängigkeit von der Drehzahl, der Auffaltvorgang wird erleichtert.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen im Zusammenhang mit der Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im folgenden anhand von Figuren eingehend erläutert sind.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen schematisierten rotationsgestützten Pneu in seiner natürlichen Form,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen schematisierten, in der Form veränderten Rotati­ onspneu,

Fig. 3 eine Schrägaufsicht auf einen Rotationspneu, bei dem ein Teil der oberen Membran entfernt ist,

Fig. 4 einen Schnitt durch einen schematisierten, mit ringförmig angeordneten Spanten versehenen Rotationspneu

Fig. 5 einen Schnitt durch einen weiteren schematisierten Pneu,

Fig. 6 einen Schnitt durch einen weiteren schematisierten Pneu,

Fig. 7 einen Schnitt durch ein weiteres schematisiert dargestelltes Ausführungs­ beispiel eines Pneus,

Fig. 8 einen Schnitt durch einen schematisierten Pneu mit zwei Kammern,

Fig. 9 einen Schnitt durch ein weiteres schematisiert dargestelltes Ausführungs­ beispiel eines Pneus,

Fig. 10 eine schematisierte Aufhängung eines Pneus,

Fig. 11 eine schematisierte gelenkige Lagerung eines Pneus und

Fig. 12 einen Schnitt durch einen schematisierten Pneu mit einer zusätzlichen Lagerung.

Fig. 1 zeigt einen rotationsgestützten Pneu in seiner natürlichen Form. Gezeigt ist ein Querschnitt parallel zur Drehachse. Die Membran besteht aus zwei Kappen (1) und (2), die durch den Äquator (3) unterteilt sind. Die Lagerung der Membran erfolgt über Naben (4) und (5), die drehbar mit der Achse (6) verbun­ den sind. Über einen nicht dargestellten Antrieb wird die Vorrichtung in Drehung versetzt. Durch die Öffnung (7) kann Umgebungsluft in das Innere des von der Membran aufgespannten Pneus strömen und einen Innendruck aufbauen. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Eine aus den Kappen (8) und (9) bestehende Membran ist wieder über die drehbar gelagerten Naben (11) und (12) mit der Achse (13) verbunden. Die Naben bestehen aus einem im Vergleich zur Membran biegesteiferen Materi­ al. Im gewählten Ausführungsbeispiel ist die Membran rotationssymmetrisch um die Achse ausgebildet. Durch den Zuschnitt erweitert sich der Umfang der Mem­ bran von der Nabe (11) ausgehend bis zur Äquatorebene (10) und nimmt dann wieder ab bis zur Nabe (12).

Durch die in der unteren Kappe angeordnete Öffnung (14) kann Umgebungsluft in den von der Membran aufgespannten Hohlraum eintreten.

Vertikal und radial verlaufende Spanten (15), die aus demselben Material wie die Membran bestehen, sind zwischen den Kappen (8) und (9) eingefügt und begrenzen deren Abstand.

Fig. 3 zeigt in Schrägaufsicht einen Rotationspneu gemäß Fig. 2. Hierbei ist ein Teil der oberen Membran (8) abgenommen, um einen Blick in das Innere zu ermöglichen. Eine Mehrzahl von radialen Spanten (15) verlaufen vom Zentralbe­ reich zum Äquator (10). Gezeigt sind zwei Lufteintrittsöffnungen (14), die den durch die Membran aufgespannten Raum mit der Umgebung verbinden.

Fig. 4 zeigt den achsenparallelen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbei­ spiel eines Rotationspneus, bei dem die beiden Kappen (16), (17) durch ringförmig angeordneten Spanten (20) verbunden sind. Die Lufträume zwischen den Spanten sind durch Öffnungen (21) verbunden. Die Öffnung (22), die in diesem Ausführungsbeispiel in einer Nabe (19) angeordnet ist, stellt die Verbindung zur Außenluft her.

Um die Einleitung von Drehmoment in die Membran zu erleichtern ist auch eine spiralförmige Anordnung der Spanten vorgesehen. Ebenso ist auch eine Kombi­ nation von radial, ringförmig oder spiralförmig angeordneten Spanten vorstellbar. In den oben gezeigten Beispielen ist die Membran des Pneus an zwei Naben befestigt.

Fig. 5 zeigt einen Rotationspneu, bei dem eine Membrankappe (23) an einer Nabe (25) befestigt ist. Im unteren Teil (24) trägt sie eine zentrale Öffnung, die auch als Lufteintrittsöffnung dient. Radial angeordnete Zugelemente (27) verbin­ den den Rand der Membran mit der zweiten Nabe (26). Die Spanten (28) verbin­ den die Kappen (23) und (24).

Ebenso ist wie in Fig. 6 dargestellt ein Pneu vorgesehen, dessen Membrankappen (29) und (30) zwei zentrale Öffnungen aufweisen. Hier wird die Verbindung der Membran mit den Naben (31), (32) jeweils durch radiale Zugelemente (33), (34) hergestellt.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rotationspneus, der im Bereich des äußeren Umfangs zwei Schnittebenen (39), (40) hat, an denen der von den Kappen (35) und (36) sowie (37) und (38) aufgespannte Pneu einen maximalen Umfang hat.

Die Lufteintrittsöffnung (41) kann wie in den vorhergehenden Beispielen im unteren oder wie hier gezeigt im oberen Teil des Pneus (35) angeordnet sein. Die Funktion einer Lufteintrittsöffnung kann ebenso ein Teil der Membran erfüllen, der aus einem luftdurchlässigen Material besteht.

Fig. 8 zeigt den Schnitt durch einen Rotationspneu, der in zwei Druckkammern (42) und (43) unterteilt ist, die über die Öffnungen (44) und (45) belüftet werden. Eine ringförmig angeordnete Spante (46) trennt die Kammern voneinan­ der. Im Bereich der Öffnungen (44), (45) herrscht im Inneren des Pneus kein Überdruck. Dieser wird erst zu größeren Radien aufgebaut. Hiermit läßt sich durch entsprechende Unterteilung des Pneus in einzelne Kammern der innere Über­ druck steuern.

In den obigen Ausführungsbeispielen sind die Zentren der Kappen an zwei axial voneinander entfernten Punkten gelagert. Ebenso ist wie in Fig. 9 dargestellt vorgesehen, nur einen Teil (47) des Pneus über die Nabe (49) an der Achse (50) zu befestigen und den anderen Teil der Membran (48) mit einer Öffnung (51) zu versehen, die in diesem Beispiel von der Achse (50) durchdrungen wird und die Funktion der Lufteintrittsöffnung erfüllt.

Der Pneu kann wie in Fig. 9 schematisiert von unten getragen und beispielsweise auf einem Ständer (52) montiert sein. Ebenso ist vorgesehen, den Pneu abzuhän­ gen.

Fig. 10 zeigt einen Pneu, der von einer obenliegenden Aufhängung (53) getra­ gen wird. Ebenso ist vorgesehen, die Lagerung des Rotationspneus gelenkig auszuführen. Das kann wie in Fig. 10 gezeigt durch ein Gelenk an der Achse geschehen. Möglich ist auch eine gelenkige Aufhängung des Motors selbst. Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Der drehfest mit Achse (58) und Naben (56), (57) verbundene Antrieb (54) ist an radial angeordneten Feder- und Dämpfungselementen (55) aufgehängt, so daß der Rotationspneu um sein Massenzentrum rotieren kann, das nicht notwendigerweise mit der Drehachse (58) übereinstimmt. Störende Einwirkungen durch Unwuchten im Rotationspneu werden so von der Aufhängung ferngehalten.

Der Pneu kann bei gelenkiger Aufhängung um diese präzedieren. Hier sind Aufhängungen vorgesehen, die oberhalb, unterhalb oder im Schwerpunkt des Rotationspneus liegen und die Präzessionsbewegung beeinflussen. Ebenso kann ein Rotationspneu mit nichtsenkrechter Drehachse realisiert werden. Um die Bewegung des Rotationspneus in axialer Richtung zu begrenzen ist vorgesehen, gemäß Fig. 12 mindestens eine weitere drehbar gelagerte Nabe (61) zu verwenden, die in einem axialen Abstand von den ersten Naben (59), (60) angeordnet ist und Zugelemente (62) trägt, die in ihrem zweiten Ende am Rotationspneu befestigt sind, wobei diese Punkte (63) außerhalb der Drehachse angeordnet sind.

Claims (20)

1. Vorrichtung zum Ausbilden eines Rotationspneus, insbesondere für einen Schirm, welche einen Antrieb (54) aufweist mit dem eine um eine Nabe (4, 5, 11, 12, 18, 19, 25, 26, 31, 32, 49, 56, 57, 59, 60) drehbar gelagerte Mem­ bran verbunden ist, welche mindestens zwei durch einen Äquator (3, 10) ge­ trennte Kappen (1, 2, 8, 9, 16, 17, 23, 24, 29, 30, 35, 36, 37, 38, 47, 48) aufweist, wobei der Umfang von den die Kappen senkrecht zur Drehachse (6, 13, 50, 58) schneidenden Flächen von der Nabe zum Äquator hin zu­ nimmt, so daß die Membran bei Rotation um die Nabe ein Volumen umhüllt und das Volumen eine Öffnung (7, 14, 22, 27, 33, 34, 41, 44, 45, 51) zum Einströmen von Außenluft aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappen der Membran innerhalb des Äquators miteinander verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindun­ gen Spanten (15, 20, 28, 46) sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanten aus demselben Material wie die Membran bestehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanten aus flexiblem Material bestehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanten aus einem luftdurchlässigen Netz bestehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanten aus einzelnen Seilen bestehen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran luftdurchlässiges Material aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran zugfestes biegeunsteifes Material aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran zugelastisches biegeunsteifes Material aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Membran einen Werbeaufdruck aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotati­ onspneu mehr als eine abgeschlossene Kammer aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kammer eine Öffnung zum Einströmen von Außenluft aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Antrieb (54) ein Elektromotor ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Antrieb (54) an der Nabe angreift.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (54) am äußeren Rand der Membrankappen angreift.

17. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Nabe an einen Ständer (52) gelagert ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe an einer Aufhängung (53) aufgehängt ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhän­ gung (53) ein Gelenk aufweist.

20. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am äußeren Rand der Kappen Gewichte angebracht sind.