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Die
Erfindung betrifft eine Schlagflügelanordnung zur Förderung
von Fluiden, welche insbesondere als Antriebsaggregat für
fliegende oder schwimmende Apparate einsetzbar ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Oszillierende
Flügel (Schlagflügel) oder Paddel als Antriebsorgane
in Fluiden sind seit langem bekannt. In der Praxis konnte sich dieses
Antriebskonzept jedoch bisher nicht gegen den Propeller durchsetzen.
Dabei sind die am häufigsten genannten Gründe
gegen die Verwendung von Schlagflügeln oder Paddeln die
diskontinuierliche Schuberzeugung, die mitunter aufwendige Mechanik
und die oszillierenden Kräfte, welche auf die angetriebene Struktur
einwirken und diese selbst zum Schwingen bringen.
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Dennoch
sind Schlagflügel und Paddel mit Erfolg zum Antrieb von
Schiffen und Luftfahrzeugen eingesetzt worden. Ein Beispiel dafür,
dass hohe Wirkungsgrade bei Schlagflügeln nicht nur in
der Natur erreicht werden, bildet ein von Adalbert Schmidt im Jahr
1942 gebautes, etwa 70 kg schweres bemanntes Segelflugzeug, welches
zusätzlich zu den Tragflächen mit einem Schlagflügelpaar
ausgerüstet wurde, welches den Vortrieb erzeugte. Dieses
Flugzeug konnte selbsttätig starten und landen und erreichte mit
einer Antriebsleistung von 2.1 KW (!) eine Höchstgeschwindigkeit
von 60 km/h. Hohe Wirkungsgrade sind auch für den um 1960
von Wilhelm Schmidt entwickelten Wellpropellerantrieb nachgewiesen
worden, der ebenfalls auf Prinzipien des Schlagflügelantriebs
beruht.
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Die
Strömungsverhältnisse um einen Propellerflügel
herum sind bei gleich bleibender Drehzahl und konstanter Geschwindigkeit
des angetriebenen Apparates durch das umgebende Fluid zu jedem Zeitpunkt
gleich und können verhältnismäßig
einfach berechnet werden. Man spricht beim Propeller von stationärer
Fluidkrafterzeugung, da die Kräfte erzeugende Umströmung
um den Propeller in Bezug auf das Propellerblatt ortsfest ist. Die
Fluidkrafterzeugung bei der Umströmung eines oszillierenden Schlagflügels
kann zu einem großen Teil nur durch instationäre
Effekte erklärt werden, d. h. solchen, die sich aus der Änderung
der Umströmung des Flügelprofils ergeben.
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Wissenschaftliche
Untersuchungen an Insekten und Vögeln legen nahe, dass
bei geschickter technischer Auslegung eines Schlagflügelapparates dieser
gegenüber einem Propeller unter Einbeziehung instationärer
Fluidkraftkomponenten bei vergleichbaren Abmessungen und gleicher
mittlerer Winkelgeschwindigkeit des Flügels einen deutlich höheren
Schub bei vergleichbaren Wirkungsgraden entwickeln kann. Einen hervorragenden Überblick über
den Erkenntnisstand zur instationären Fluidkrafterzeugung
bei Insekten und Vögeln und deren technischer Anwendbarkeit
gibt Werner Nachtigall in seinem Buch „Insektenflug – Konstruktionsmorphologie – Biomechanik – Flugverhalten",
erschienen 2003 im Springer Verlag. Hier sei insbesondere
verwiesen auf das Kapitel 5.3 „Instationäre Luftkräfte
und ihre Effekte" (Seiten 171 ff.).
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Für
die hier dargestellte Erfindung ist vor allem der sogenannte Clap-and-Fling-Effekt
von Bedeutung, der bei der Annäherung zweier gegenläufig schlagender
Schlagflügel wirksam wird.
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In
der Technik sind Effekte der Fluidkrafterzeugung bekannt, die aus
der Annäherung eines Schlagflügels an eine feste
Wand oder einen gegenphasig schwingenden Schlagflügel entstehen
(z. B.
DD 47871 A ).
Dabei drückt der Schlagflügel bei der Annäherung
an die Wand oder den gegenphasig schwingenden Schlagflügel,
unterstützt durch die Erhöhung des Anstellwinkels,
ein Fluidvolumen unter sich weg (Clap) und zieht beim Umklappen
des Flügels zu Beginn des Folgeschlages – wie
beim Auseinanderziehen zweier Buchseiten – das Fluid von vorne
nach (Fling). Aus dieser Annäherung kann bei zweckmäßiger
Gestaltung der Flügel ein sehr starker momentaner Schub
erzielt werden. Diesen von Biologen beobachteten Effekt machen sich
beispielsweise Wellensittiche und Tauben beim Start und beim steilen
Steigflug zu Nutze. Technisch wird „Clap and Fling" auch
bereits bei einigen experimentellen Fluggeräte eingesetzt.
(z. B. Vusuke Takahashis Flugmodell „Luna" veröffentlicht
in der englischen
http://www.ornithopter.org, oder
das in den Niederlanden von der Technischen Universität
Delft entwickelte Flugmodell „Delfly", siehe auch
http://www.delfly.nl).
Beide Fluggeräte verwenden zwei gegenphasig schwingende
Schlagflügelpaare. Dies bietet den Vorteil, dass die Drehmomente
der schlagenden Flügel sich gegenseitig aufheben, so dass
das Antriebsaggregat nur geringe Schwingungen in die tragende Struktur
einleitet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine auf oszillierenden Verdrängerflächen
(Flügel) basierende Strömungsarbeitsmaschine zur
Förderung von Fluiden zu finden, welche als Antriebsaggregat
für fliegende und schwimmende Apparate eingesetzt werden
kann.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung
gelöst, bei der vier gleichartig geformte Schlagflügel
konzentrisch um eine Achse herum angeordnet sind. Dabei sind die
von den vier Schlagflügeln durchschwungenen, im Normalbetrieb gleichgroßen
Bereiche kleeblattartig aneinandergesetzt. Jeder Schlagflügel
schwingt zu jedem seiner beiden Nachbarn um jeweils 180° phasenversetzt und
die Amplitude der Flügelschwingung ist so gewählt,
dass ein Flügel sich in den Umkehrregionen abwechselnd
seinem linken und seinem rechten Nachbar in gleicher Weise stark
annähert oder diesen sogar berührt und die gegensinnig
angestellten, aufeinander zufliegenden Flügelprofile vor
dem Umschwingen ein Fluidvolumen unter sich wegdrücken und
beim folgenden Öffnen das Fluid von oben nachziehen (Clap-and-Fling).
Im Gegensatz zu bekannten Modellen kann der „Clap and Fling"-Effekt
bei einem erfindungsgemäßen Aggregat mit vier
kleeblattartig angeordneten Schlagbereichen in beiden Umkehrregionen
genutzt werden, was bei gleichem durchschnittlichen Schub zu geringeren
Spannweiten und einer gleichförmigeren Schuberzeugung führt.
Außerdem profitiert ein erfindungsgemäßes
Antriebsaggregat von den im Vergleich zu bekannten Modellen vergleichsweise
großen Amplituden von bis zu 90°. Diese große
Amplitude erlaubt es dem Schlagflügel während
der Beschleunigungsphase eine hohe kinetische Energie zu akkumulieren,
welche beim „Clap and Fling" dann in Schub umgesetzt werden
kann.
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Bei
bekannten Modellen mit zwei gegenphasig schwingenden Schlagflügelpaaren
sitzen die Schlagflügel auf einer gemeinsamen Schwingachse. Dabei
sind die zwei jeweils diagonal gegenüberliegenden Schlagflügel
durch ein zentrales Knotenstück miteinander verbunden,
welches auf der Schwingachse drehbar gelagert ist. Die für
vier Schlagflügel erforderlichen zwei Knotenstücke sitzen
dabei hintereinander angeordnet auf einer gemeinsamen Schwingachse.
Als Antrieb dient ein Kurbelantrieb der auf die Knotenstücke
wirkt und diese in eine Drehschwingung mit einer Amplitude von etwa ±22,5° versetzt.
Die Synchronisation der Flügelbewegung wird durch die gemeinsame
Kurbelwelle erreicht. Ein Nachteil dieser Anordnung ist es, dass
die Flügelflächen eines Schlagflügelpaares
niemals parallel zueinander stehen können, da sie sich
in diesem Fall gegenseitig durchdringen würden. Durch die
Anordnung des Kurbelantriebs ist es bei dieser Anordnung darüber
hinaus unmöglich, die Schlagflügel auch mit dem
jeweils anderen Schlagflügelnachbarn in eine hohe Annäherung
zu bringen, da die antreibende Kurbel dann annähernd parallel
zum angetriebenen Hebel stehen würde und somit kein ausreichendes
Drehmoment einleiten könnte.
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Die
vorliegende Erfindung löst dieses Problem, indem sie jedem
Schlagflügel eine eigene Schwingachse bzw. eine eigene
Flügelaufhängung zuordnet, welche konzentrisch
und in gleichmäßiger Verteilung um eine gemeinsame
Raumachse angeordnet sind. Dadurch kann ein Schlagflügel
sowohl mit seinem linken als auch mit seinem rechten Nachbarn in
eine parallele Stellung gebracht werden. Der Antrieb kann dabei
wiederum durch einen Kurbelantrieb mit einer zentral durchgeführten
Kurbelwelle erfolgen. Ein alternativer Antrieb für eine
erfindungsgemäße Anordnung auf der Basis oszillierender
Elektromotoren wird weiter unten dargestellt.
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Entscheidend
für die Schuberzeugung bei einem Schlagflügelapparat
ist die dynamische Änderung der Flügelrotation,
bzw. des wirksamen Flügelprofils. Viele der bekannten Lösungen
setzen dabei auf eine zwangsgesteuerte Mechanik, bei der jeder Schlagphase
des Schlagflügels eine bestimmte Flügelrotation
bzw. Flügelprofilierung fest zugeordnet ist.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung bildet den Schlagflügel
demgegenüber so aus, dass dieser federelastisch aufgehangen
ist und der Flügelanstellwinkel bzw. dessen Profilierung
sich im Wechselfeld zwischen den auftretenden Fluidkräften und
Massenträgheiten einerseits und den wirksamen Rückstellkräften
der federelastisch wirksamen Bauelemente andererseits in vorgegebenen
Grenzen selbsttätig einstellt. Somit reagiert ein erfindungsgemäßer
Antriebsaggregat flexibel auf sich verändernde Umgebungsbedingunen
z. B. aufgrund von Geschwindigkeitsänderungen des einströmenden
Fluides.
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Eine
bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die wirksamen
Rückstellkräfte der auf die Flügelrotation
bzw. -profilierung federelastisch einwirkenden Bauelemente mindestens
teilweise veränderlich ausgebildet sind, so dass hierdurch
bei unveränderlicher Amplitude und Schlagfrequenz die Schubkraft
verändert werden kann.
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Eine
andere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung
ermöglicht es, dass die wirksamen Rückstellkräfte
der federelastisch wirksamen Bauelemente für jeden Flügel
unabhängig voneinander verstellt werden können,
wodurch eine Änderung der Richtung des resultierenden Schubvektors
erreicht wird. Hierdurch wird beispielsweise ein hubschrauberähnliches
Fluggerät, welches anstelle des Rotors ein erfindungsgemäßes
Antriebsaggregat verwendet, in die Lage versetzt, seitlich in eine
beliebige Richtung zu steuern. In Bezug auf eine solche Anwendung
bietet ein erfindungsgemäßes Antriebsaggregat überdies
den Vorteil, dass kein Heckrotor zum Drehmomentausgleich erforderlich
ist.
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Als
Antrieb für einen erfindungsgemäßes Antriebsaggregat
kommen hydraulische, pneumatische und elektromagnetische Quellen
sowie Explosionskolben in Betracht.
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Eine
zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung
sieht für jeden Flügel einen eigenen Elektromotor
als Antriebsquelle vor. Dieser sitzt direkt auf der Schwingachse
des Flügels auf oder ist mit dieser über ein zwischengeschaltetes
Getriebe verkoppelt. Dies führt dazu, dass die Motoren
keine kontinuierlich umlaufende Drehung ausführen, sondern
die Drehrichtung in dem Moment ändern, indem auch der Flügel
seine Schlagrichtung ändert. Dabei leitet der Motor in
Abhängigkeit von der jeweiligen Schlagphase bzw. Winkelposition
eine Kraft in den Flügel ein. Diese wirkt im Normalfall
beschleunigend auf den Flügel ein, sie kann aber auch abbremsend
wirken. Die in diesem Fall erforderlichen 4 Motoren eines so gebildeten
Antriebsaggregates sind entsprechend einer zweckmäßigen
Weiterbildung elektronisch synchronisiert. Dies böte den
Vorteil, dass bei gleich bleibender Schlagfrequenz die Amplitude
einzelner Schlagflügel mit einer entsprechend erweiterten
Elektronik gezielt verändert werden könnte um
somit in Bezug auf den Gesamtapparat eine Richtungsänderung
des resultierenden Schubvektors zu bewirken.
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Demgegenüber
ist eine andere Ausführungsform der Erfindung mit einer
mechanischen Synchronisierung über Zahnräder ausgestattet.
Dies bietet den Vorteil, dass nur ein Motor zum Antrieb erforderlich
ist, was erwartungsgemäß ein besseres Leistungsgewicht
zur Folge hat. Durch die Verwendung nur eines Motors welcher ständig
seine Drehrichtung ändert, ergibt sich jedoch das Problem,
dass der Apparat aufgrund der unausgeglichenen Drehmomente um seine
Hochachse zu schwingen beginnt. Aus diesem Grund weist eine andere
vorteilhafte Ausbildung zwei kleinere, gegensinnig drehende Antriebsmotoren
auf, welche gemeinsam die erforderliche Antriebskraft erzeugen.
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Wird
die in den Flügel eingeleitete kinetische Energie nicht
vollständig während eines halben Schlages in Strömungsenergie
umgewandelt, würde der Flügel mit seinem Nachbarn
in der Umkehrregion zusammenstoßen. Daher sieht eine weitere
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung federelastische Energiespeicher
vor, welche so angeordnet sind, dass sie die überschüssige
kinetische Energie eines Schlages aufnehmen und diese zur Beschleunigung des
Flügels in die entgegengesetzte Richtung verwenden. Eine
solche Anordnung ermöglicht sehr hohe Schlagfrequenzen
und damit eine hohe Leistungsdichte.
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Ein
erfindungsgemäßes Antriebsaggregat eignet sich
aufgrund seiner drehmomentfreien Schuberzeugung in besonderer Weise
als Hauptantrieb für senkrechtstartende hubschrauberähnliche
Fluggeräte. Dabei kann der Gesamtschub des Antriebsaggregats über
eine Veränderung der Amplitude, der Schlagfrequenz, des
Schlagflügelprofils oder des Schlagflügelanstellwinkels
den augenblicklichen Erfordernissen angepasst werden. Mit Hilfe
der oben beschriebenen Mechanismen wird eine Richtungsänderung
des resultierenden Schubvektors ermöglicht, wodurch eine
reaktionsschnelle seitliche Manövrierfähigkeit
erreichbar ist. Durch mindestens eine zusätzliche Steuerklappe,
welche im Schubstrahl unterhalb des Antriebsaggregates angeordnet
ist kann darüber hinaus eine Drehung um die Hochachse des Fluggerätes
eingeleitet werden.
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Bei
einem anderen Fluggerät, bei dem die Nutzlast hängend
unterhalb des erfindungsgemäßen Antriebsaggregates
angeordnet ist, kann alternativ zu den bereits beschriebenen Mechanismen
zur seitlichen Manövrierbarkeit am Übergang zwischen
Antriebsaggregat und Nutzlast ein Gelenk angeordnet sein, um welches
das Antriebsaggregat in die gewünschte Flugrichtung relativ
zur Nutzlast angekippt werden kann.
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Eine
Umsteuerung der Förderrichtung kann bei einem erfindungsgemäßen
Antriebsaggregat durch eine Ausführung mit einer starren
Schlagflügelfläche erreicht werden, bei der z.
B. durch Verschwenkung des Flügels der Schwerpunkt des
auf die Flügelfläche einwirkenden Winddrucks in
Bezug auf die Flügelachse verstellt werden kann, über
welchen sich der Anstellwinkel federelastisch einstellt. Wechselt
der Winddruckschwerpunkt von der einen auf die andere Seite dieser
Rotationsachse wird die Förderrichtung umgesteuert.
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Einfache
Schlagflügelapparate weisen eine starre Flügelfläche
auf, welche ihren Anstellwinkel in Abhängigkeit zur Schlagphase
mehr oder weniger flexibel einstellt. Eine starre Flügelfläche
wäre aber in Bezug auf ein erfindungsgemäßes
Antriebsaggregat bei größeren Reynoldszahlen ein
strömungstechnischer Kompromiss, ideal wäre ein
Flügelprofil, welche die Profilierung und Profilrotation
(kleiner Anstellwinkel in Gelenknähe, großer Anstellwinkel
an der Flügelspitze) in Abhängigkeit von der Schlagphase und
den aktuellen Strömungsverhältnissen selbsttätig
einstellt. Dieser Forderung wird in einer anderen zweckmäßigen
Ausführungsform der Erfindung entsprochen, in der die Schlagflügelfläche
flexibel ausgeführt ist, und in einem Dreieck aufgespannt
wird, welches sich zwischen Flügelachse und Schwingachse
aufspannt. Der Schnitt der flexiblen Schlagflügelfläche
kann in der Art eines Schiffssegels so ausgeführt werden,
das sich die gewünschte Profilierung unter Last selbsttätig
einstellt. Bei der Umkehr der Schlagrichtung wechselt auch die Seite
der Flügelflächenausbauchung. Entsprechend einer
vorteilhaften Weiterbildung ist die flexible Flügelfläche
durch Federkraft vorgespannt, so dass sie ihre Ausbauchung erst
durch den Druck des einwirkenden Fluides entwickelt. Diese Federkraft
kann dabei sowohl an dem der Schwingachse oder dem der Flügelachse
zugewandten Teil der Flügelfläche angreifen. Eine
federgespannte Flügelfläche bietet zusätzlich
zu der lastabhängigen Flügelprofilierung den besonderen Vorteil
einer Nivellierung des Schubprofils, d. h. dass ein Teil der Energie
der Schubspitzen, welche durch den Clap-and-Fling-Effekt in den
Umkehrregionen entsteht in den Federn, welche die Flügelfläche
aufspannen zwischengespeichert wird. Diese Energie wird dann im
weiteren Schlagverlauf wieder abgegeben und führt so zu
einer gleichmäßigeren Schubentwicklung und einem
geringeren Betriebsgeräusch.
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Eine
detaillierte Darstellung einiger zweckmäßiger
Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den folgenden
Figurenbeschreibungen.
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Figuren:
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1 Antriebsaggregat
mit vier separaten Antriebsmotoren, Torsionsfedern für
Flügelrotation und Energiespeicherung
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2 Bewegungsstudie
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3 Alternatives
Antriebsaggregat mit Zahnradsynchronisation und zentralem Motor.
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4 Elastomerpolster für Energiespeicherung, Servos
mit Zugfedern für Flügelrotation, mehrteilige Schlagflügelfläche
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5 Hebelsystem für Steuerung des
Anstellwinkels
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6 Verdrehtes Hebelsystem zur Steuerung
um die Hochachse
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7 Federnde
Flügelaufhängung
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8 Schubkraftdiagramm
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9 vollflexible
Schlagflügelfläche mit federnder Flügelvorderkante
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10 Fluggerät mit ankippbarem Antriebsaggregat
und Steuerflächen im Schubstrahl
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11 Umsteuerung
der Förderrichtung
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Antriebsaggregat mit vier
Schlagflügeln 2, welche an vier gleichmäßig
um eine zentrale Raumachse 1 verteilten Schwingachsen 4 aufgehangen
sind. Dabei setzen sich die Schlagbereiche der Schlagflügel
kleeblattartig aneinander. Die Schlagflügel 2 sind
auf der Flügelaufhängung 36 entlang der
Flügelachse 3 drehbeweglich aufgehangen, wodurch
der Anstellwinkel veränderlich ist. Eine im Inneren des
Schlagflügels befindliche Drehfeder 12 (nicht
dargestellt) gibt dem Anstellwinkel des Schlagflügels 2 eine
Mittelstellung (Nullstellung) vor. In dieser Mittelstellung hat
der unbewegte Schlagflügel 2 den geringsten Widerstand
gegen das in Förderrichtung strömende Fluid. Beginnt
der Schlagflügel 2 sich um seine Schwingachse 4 zu
drehen, wirken auf den Schlagflügel 2 seitliche
Fluidkräfte ein, welche eine Änderung des Anstellwinkels
des Schlagflügels 2 bewirken. Abhängig
von der Geschwindigkeit der Drehbewegung um die Schwingachse 4 und
der Federkraft der Drehfeder 12 entsteht eine der Förderrichtung entgegengesetzte
Schubkraft. 1 zeigt eine Momentaufnahme
des Antriebsaggregates indem sich die Schlagflügel A und
B sowie die Schlagflügel C und D aufeinanderzubewegen.
Dabei schließen die beiden Schlagflügelpaare ein
Fluidvolumen zwischen sich ein, welches sie bei zunehmender Annäherung unter
sich wegdrücken. Die erzeugte Schubkraft ist dabei kurz
vor Ende eines Schlages am größten, wenn die Flügel
die größte Annäherung erfahren und gleichzeitig
aufgrund der negativen Beschleunigung am Ende des Schlages der Schlagflügel
um die Flügelachse herum in die Mittelstellung zurückschwingt. Zwischen
den komplementären Schlagflügelpaaren A und D
sowie B und C entsteht ein Sog zwischen den sich voneinander weg
bewegenden Schlagflügelflächen. Dieser ist am
Beginn eines Schlages am größten, wenn die aneinander
anliegenden Schlagflügelflächen beginnen sich
zu öffnen und dabei das Fluid wie beim Auseinanderziehen
zweier Buchseiten zwischen sich einziehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
wird jeder der vier Schlagflügel 2T von einem
eigenen Elektromotor 5 angetrieben, welcher direkt mit
der Flügelaufhängung 36 verkoppelt ist.
Ein auf dem Elektromotor aufsitzender Drehgeber 6 ermittelt
die aktuelle Winkelstellung des Flügels um die Schwingachse 4 und
leitet diese an eine Steuerelektronik (nicht dargestellt) weiter.
Abhängig von den momentan wirksamen Sollparametern (Amplitude,
Frequenz, ggf. Winkelbeschleunigung) für diesen Schlagflügel 2 regelt
die Steuerelektronik den Leistungsfluss zum Elektromotor 5.
Am Ende eines Flügelschlages kehrt der Elektromotor 5 seine
Drehrichtung um und beschleunigt den Schlagflügel 2 in
die entgegengesetzte Richtung. Mit Hilfe der Drehgeber 6 und
der Steuerelektronik werden außerdem die Schwingungen der
einzelnen Schlagflügel 2 so zueinander synchronisiert,
dass jeder Schlagflügel 2 zu seinen beiden Nachbarn
um 180° phasenversetzt schwingt.
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Um
die während eines Flügelschlages akkumulierte
kinetische Energie nutzen zu können ist die Flügelaufhängung 36 jedes
Schlagflügels 2 entlang der Schwingachse 4 mit
einer Drehfeder 7 verkoppelt, welche in der Mittelstellung
des Schlagbereiches entspannt ist und bei einer Auslenkung des Schlagflügels
in Richtung einer der Umkehrregionen eine zunehmende Rückstellkraft
entwickelt. Diese Rückstellkraft bremst die Bewegung des
schlagenden Flügels bei Annäherung an die Umkehrregion
ab und verhindert, dass der Elektromotor 5 ein Bremsmoment
aufbringen muss. Gleichzeitig steht die in der Drehfeder 7 akkumulierte
Energie wieder zur Beschleunigung des Schlagflügels 2 in
die Gegenrichtung zur Verfügung.
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Zur
Anpassung der Federrate an die jeweiligen Leistungserfordernisse
des dargestellten Antriebsaggregats ist das feste Gegenlager 8 der
Drehfedern in Richtung der Raumachse verschiebbar ausgeführt.
Mit Hilfe der Stellspindel 9 kann so die gewünschte
Federrate vorgegeben werden.
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2 stellt
in einer Kreisfolge zehn Stellungen eines Schlagzyklus eines erfindungsgemäßen Antriebsaggregates
dar.
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Stellung
1: In dem hier gezeigten Zustand befinden sich jeweils zwei Flügel
in den Umkehrregionen in der Stellung ihrer größten
Annäherung. Die Schlagflügelflächen sind
annähernd parallel, der Anstellwinkel ist Null.
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Stellung
2: Die eben noch aneinanderliegenden Schlagflügel bewegen
sich voneinander weg. Der Anstellwinkel vergrößert
sich dabei entgegen der Bewegungsrichtung der Schlagflügel.
Das umgebende Fluid wird zwischen die sich auseinanderbewegenden
Flügelflächen gesaugt.
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Stellung
3: Die Winkelgeschwindigkeit der Schlagflügel erhöht
sich nun beständig und aufgrund der Massenträgheit
des Schlagflügels und des wachsenden Fluiddruckes vergrößert
sich auch der Anstellwinkel weiter. In dieser Schlagphase wirken
vor allem stationäre Fluidkrafteffekte, die auch von der Umströmung
von Tragflächen bekannt sind.
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Stellung
4: Die Schlagflügel werden bei der Annäherung
an die anderen Umkehrregionen wieder abgebremst. Winkelgeschwindigkeit
und Anstellwinkel verringern sich.
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Stellung
5: Bei wachsender Annäherung schließen die Schlagflügel
ein Fluidvolumen unter sich ein welches nach unten hin weggedrückt
wird. Für zusätzliche Schubkrafterzeugung sorgt
dabei der sich durch Federkraft und Massenträgheit stetig
verringernde Anstellwinkel. In dieser Schlagphase entwickelt ein
erfindungsgemäßes Antriebsaggregat die größten
Schubkräfte. Es setzt dabei einen großen Teil
der die in der Beschleunigungsphase akkumulierten Energie in Schub
um.
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Stellung
6: Das Ende des Hinschlags ist erreicht, die Bewegungsrichtung des
Schlagflügels kehrt sich um.
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Stellungen
7 bis 10: Die in den Stellungsbeschreibungen 2 bis 5 beschriebenen
Abläufe wiederholen sich.
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3 stellt
eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Antriebsaggregates mit nur einem Elektromotor 5 als Antrieb
dar. Über ein Ritzel an dessen Abtriebswelle (durch den
Motorkörper verdeckt) treibt er zwei Antriebsräder 10 an
welche mit den Flügelaufhängungen 36 zweier
diagonal gegenüberliegender Schlagflügel verkoppelt
sind.
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Die
Synchronisation der verbleibenden 2 Schlagflügel 2 mit
den beiden direkt angetriebenen Schlagflügeln 2 erfolgt über
eine weitere Zahnradanordnung bei der auf jeder Schwingachse ein
Synchronzahnrad 11 sitzt, welches mit dem Synchronzahnrad 11 seines
rechten und linken Nachbars kämmt (Ringverkopplung aller
vier Flügelaufhängungen 36). Wie in 1 sind
auch in diesem Ausführungsbeispiel vier mit den Flügelaufhängungen 36 verkoppelte
Drehfedern verbaut, welche die Bremsenergie bei der Annäherung
der Schlagflügel 2 an die Umkehrregion aufnehmen
und diese bei der Beschleunigung in die Gegenrichtung wieder freisetzen. Alternativ
kann bei einer solchen Anordnung auch eine einzelne Feder zur Energiespeicherung
verwendet werden, die z. B. direkt mit der Motorwelle des Elektromotors 5 verkoppelt
sein kann. In dieser Darstellung ist in dem aufgeschnittenen vorderen Schlagflügel 2 die
Drehfeder 12 sichtbar, welche die Rückstellkraft
für den Anstellwinkel des Schlagflügels 2 generiert.
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Die 4a bis 4c zeigen
3 Ansichten einer Schlagflügelkonfiguration für
ein erfindungsgemäßes Antriebsaggregat. Die Flügelfläche
ist in diesem Ausführungsbeispiel aus mehreren Flächensegmenten 13 bis 17 zusammengesetzt,
welche mit Hilfe von frei beweglichen Gelenkverbindungen 18 aneinandergesetzt
sind. Das oberste Flächensegment 13 ist dabei
entlang der Flügelachse 3 frei drehbar in einem
Drehlager 19 befestigt, dessen Drehachse sich im rechten
Winkel zur Schwingachse 4 befindet. Das Drehlager 19 selbst
ist Bestandteil der Flügelaufhängung 36.
Die Achsen der Gelenkverbindungen 18 kreuzen die Flügelachse 3 in
einer Region in der Nähe des gedachten Kreuzungspunktes
von Flügelachse 3 und Schwingachse 4.
Am unteren Flächensegment 17 greift eine Zugfeder 20 an,
durch welche die Flügelfläche im unbewegten Zustand
flach gezogen wird, so dass sie sich in einer Ebene mit der Schwingachse 4 und
der Flügelachse 3 befindet. Beginnt der Schlagflügel 2 sich
um die Schwingachse 4 zu drehen, baucht sich die Flügelfläche
aufgrund der Massenträgheit der Flächensegmente 13 bis 17 und der
Wirkungen des verdrängten Fluides aus und erzeugt durch
die entstehende Flügelprofilierung eine Kraftkomponente
in Richtung der Schwingachse 4. Würde man Profilschnitte
des ausgebauchten Schlagflügels 2 in unterschiedlichen
Abständen von der Schwingachse 4 erstellen, würde
man eine Zunahme des gemittelten Anstellwinkels des Flügelprofils
von der Flügelwurzel zur Flügelspitze hin feststellen,
was aufgrund der nach außen hin höheren Anströmgeschwindigkeiten
einen höheren aerodynamischen Wirkungsgrad gegenüber
einem starren Flügelprofil erwarten lässt. Die
Federspannung der Zugfeder 20 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel
mittels eines Servostellelements 21 beeinflussbar, wodurch sich
die Ausbauchung des Flügelprofils beeinflussen lässt.
Diese Ausführungsform eines Schlagflügels 2 folgt
dabei den Prinzipien zur Konstruktion des Großsegels eines
Sportsegelbootes, bei dem das Anströmverhalten in ähnlicher
Weise durch die Großschot steuerbar ist. Wenn bei einem
erfindungsgemäßer Antriebsaggregat jeder Schlagflügel 2 ein
unabhängig steuerbares Servostellelement 21 zur
Beeinflussung des Flügelprofils erhält, lässt
sich bei einer solchen Anordnung der resultierende Gesamtschubvektor
in seiner Richtung verändern. Somit ist eine in eine beliebige
Richtung weisende seitliche Schubkraftkomponente lotrecht auf der
Raumachse 1 erzeugbar, wodurch sich ein solches Antriebsaggregat
in besonderer Weise für den Hauptantrieb eines senkrechtsartenden
Fluggerätes eignet, das auf eine gute seitliche Manövrierbarkeit
angewiesen ist.
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Das
dargestellte Ausführungsbeispiel eines Schlagflügels
besitzt einen Elektromotor 5 als Antrieb, welcher direkt
mit der Flügelaufhängung 36 verkoppelt
ist. Am Drehlager 19 ist ein Hammerkopf 37 als
Bestandteil der Flügelaufhängung 36 erkennbar, welcher
in der linken und rechten Umkehrregion in ein Elastomerpolster 22 schlägt.
Dabei nimmt das Elastomerpolster 22 die überschüssige
kinetische Energie am Ende eines Flügelschlages auf und
beschleunigt den Schlagflügel 2 anschließend
in die Gegenrichtung. Der Vorteil einer solchen Anordnung gegenüber
einem auf einer Drehfeder 7 basierenden Energiespeicher
(wie in den 1 und 3 dargestellt)
ist es, dass eine Drehfeder 7 den Schlagflügel 2 bereits
lange vor Erreichen der Umkehrregion abbremst, während
die in dieser Figur dargestellte Anordnung eine Beschleunigung des
Schlagflügels bis nahe an den Umkehrpunkt zulässt,
was bei gleicher Antriebskraft und Baugröße höhere
Schlagfrequenzen und dadurch eine höhere Schubkraft ermöglicht. Um
diesen Effekt zu erzielen kann alternativ zu der dargestellten Anordnung
für die Energiespeicherung auch ein auf die Flügelaufhängung 36 direkt
wirkender Federmechanismus gewählt werden, welcher eine
stark progressive Federkennlinie besitzt.
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Die 5a und
b sowie 6a und 6 zeigen eine
Schlagflügelkonfiguration für ein erfindungsgemäßes
Antriebsaggregat mit einer starren Flügelfläche.
Antrieb und Energiespeicherung entsprechen dabei in ihrer Ausführung
der Beschreibung für die 4a bis 4c.
Der starre Schlagflügel 2 ist dabei entlang der
Flügelachse 3 frei drehbar in einem Drehlager 19 befestigt,
dessen Drehachse sich im rechten Winkel zur Schwingachse 4 befindet.
Das Drehlager 19 selbst ist Bestandteil der Flügelaufhängung 36.
An den drehbaren Teil des Schlagflügels 2 ist
mit einem Kardangelenk 24 ein Hebel 23 angesetzt über
welchen der Anstellwinkel des Schlagflügels 2 beeinflussbar
ist. Dieser ist auf seiner anderen Seite wiederum mithilfe eines
Kardangelenks 24 mit einem verschiebebeweglich in Richtung
der Schwingachse 4 gelagerten Stützblock 25 verbunden.
Wird der Stützblock 25 entlang der Schwingachse 4 verschoben
und vergrößert sich das Maß A, verringert
sich der Anstellwinkel am Schlagflügel 2 (6a und 6b).
Der Hebel 23 weist in seinem Inneren einen Federmechanismus
auf. Wirkt eine Kraft in Richtung der Hebelachse verkürzt
oder verlängert sich die wirksame Hebellänge,
je nach Kraftrichtung. Dabei ermöglicht die obere Feder 26 eine dynamische
Anpassung des Anstellwinkels an den auf die bewegte Schlagflügelfläche
einwirkenden Fluiddruck. Die untere Feder 27 ermöglicht
das Umschlagen des Schlagflügels 2 in der Umkehrregion ohne
dass hierfür der Stützblock 25 auf der
Schwingachse 4 verschoben werden müsste. Dabei
wird ein Teil der während der Beschleunigungsphase akkumulierten
kinetischen Energie beim Aufschlag auf das Elastomerpolster 22 für
den Flügelumschlag verwendet. Damit dieser Mechanismus
funktioniert muss sich der Massenschwerpunkt des Schlagflügels 2 unterhalb
der Flügelachse 3 befinden. Hierdurch entsteht
am Ende eines Schlages eine sehr schnelle Rotation des Schlagflügelprofils
um die Flügelachse. Aus der Insektenforschung ist bekannt, dass
die im Rahmen einer solchen forcierten Profilrotation wirksamen
instationären Luftkraftkomponenten eine zusätzliche
Schubkraftspitze erzeugen.
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In 7 ist
eine Schlagflügelkonfiguration für ein erfindungsgemäßes
Antriebsaggregat gezeigt, welche mit der in den 5a bis 6b gezeigten
Konfiguration im wesentlichen identisch ist. Jedoch ist der Stützblock 25 für
den Hebel 23 zusätzlich um die Schwingachse verdrehbar,
so dass der untere Lagerpunkt des Hebels 23 nicht mehr
direkt unter dem Drehlager 19 des Schlagflügels
angeordnet ist. Dies hat zur Folge, dass der Schlagflügel beim
Hinschlag einen anderen Anstellwinkel a besitzt als beim Rückschlag
(Anstellwinkel b, gestrichelte Darstellung). Dies führt
im Resultat zu einem auf die Raumachse einwirkenden Drehmoment,
so dass beispielsweise ein hubschrauberähnliches Fluggerät
mit einem erfindungsgemäßen Antriebsaggregat als Hauptantrieb
eine Rotation um seine Hochachse ausführen könnte.
Ist der Stützblock 23 also in seiner Drehstellung
frei einstellbar, könnte auf diese Weise eine Steuerbarkeit
eines solchen hubschrauberähnlichen Fluggerätes
um die Hochachse erreicht werden. Dies gilt in ähnlicher
Weise auch für die in 4 beschriebene
Schlagflügelkonfiguration. Wenn bei dieser der Einhängepunkt
der Zugfeder 20 seitlich in Richtung einer der Umkehrregionen
verschoben wird, wirkt beim Hinschlag eine andere Spannung auf den
Schlagflügel ein als beim Rückschlag, wodurch der
selbe Effekt erzielt wird.
-
8 zeigt
die Schubkraftentwicklung eines erfindungsgemäßen
Antriebsaggregat über eine volle Schwingperiode (Hin- und
Rückschlag). Der strichpunktierte Graph im Diagramm zeigt
den typischen Verlauf der Schubkraftentwicklung wie er wahrscheinlich
bei einem Antriebsaggregat entstünde, welches dem Aufbau
des in 1 beschriebenen Ausführungsbeispiels
folgt. Hierbei sind die Auswirkungen des Clap-and-Fling-Effektes
deutlich erkennbar. Beim Auseinanderziehen zweier benachbarter Schlagflügel
zu Beginn des Hin- und Rückschlages (Fling) entsteht die
erste Schubspitze. Entfernen sich nun die Flügel weiter
voneinander treten die Wirkungen des Clap-and-Fling in den Hintergrund
und werden überlagert von den bei steigender Winkelgeschwindigkeit
zunehmenden Schubkräften stationärer Luftkraftkomponenten.
Bei zunehmender Annäherung an den entgegenkommenden Flügel
(Clap) werden Fluidmassen unter den inzwischen hoch beschleunigten
Flügelflächen zusammengedrückt und noch
zusätzlich durch den aufgrund der Bremswirkung der Drehfeder 7 und
der Massenträgheit des Schlagflügels schnell abnehmenden
Anstellwinkel beschleunigt. Dies führt zu der Schubkraftspitze
zum Ende des Hin- bzw. Rückschlages. Dieser Verlauf der Schubkraftentwicklung
resultiert aus der in 1 beschriebenen relativ starren
Konstruktion. Er ist nicht wünschenswert, da er Vibrationen
in die das Antriebsaggregat haltende Struktur einleitet. Eine flexiblere Konstruktion
könnte den lokalen Schubkraftspitzen „ausweichen"
und die überschüssige Energie zeitversetzt in
die tragende Struktur zurückleiten. Einen wünschenswerten
Kraftverlauf einer solchen alternativen Konstruktion zeigt der durchgezogene
zweite Graph.
-
9 zeigt
eine Schlagflügelkonfiguration für ein erfindungsgemäßes
Antriebsaggregat mit einer starren Flügelfläche
und einer pendelnd in der Flügelaufhängung 36 aufgehangenen
Flügelachse 3. Der Pendelweg wird durch zwei elastische
Endanschläge 28 und 29 begrenzt. Eine
fest mit der das Antriebsaggregat tragenden Struktur verbundene
Zugfeder 30 zieht die Flügelachse 3 in
Richtung des unteren Endanschlages 28. Wird der Schlagflügel
um die Schwingachse 4 herum bewegt bewirken die Fluidkraftkomponenten
eine gegen die Federwirkung der Zugfeder 30 gerichtete
Kraft, die Flügelachse 3 bewegt sich vom unteren
Endanschlag 28 weg nach oben. Um so stärker die
nach oben gerichtete Fluidkraftkomponente ist, umso weiter nähert
sich die Flügelachse 3 dem oberen Endanschlag 29.
Bei temporär auftretenden Schubkraftspitzen weicht der Schlagflügel 2 also
nach oben aus und durch die energiespeichernde Wirkung der Feder
sowie der Massenträgheit des Schlagflügels werden
so Schubkraftspitzen und -täler „eingeebnet".
Bei optimaler Auslegung ergibt sich der in 8 durch
den durchgezogenen Graphen dargestellte Schubkraftverlauf.
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Die 10a und 10b zeigen
zwei Ansichten einer Schlagflügelkonfiguration für
ein erfindungsgemäßes Antriebsaggregat mit einer
flexiblen, folienartigen Flügelfläche 31 und
einer pendelnd aufgehängten Flügelvorderkante 33.
Im unbewegten Zustand zieht die Zugfeder 30 über
die pendelnde Auslegerwippe 32 die flexible Flügelfläche 31 glatt
(gestrichelte Darstellung in 10a).
Wirkt bei Bewegung des Schlagflügels 2 um die
Schwingachse 4 der Fluiddruck auf die flexible Flügelfläche 31 ein,
beginnt diese sich auszubauchen und der aufgespannte Winkel zwischen
Schwingachse 4 und Flügelvorderkante 33 verringert
sich (Vollliniendarstellung in 10a und 10b). Diese Konstruktion wirkt ebenfalls „einebnend"
auf den Schubkraftverlauf und bietet überdies wie das in 4 beschriebene Ausführungsbeispiel
den Vorteil eines zur Flügelspitze hin wachsenden Anstellwinkels
des Flügelprofils. Darüber hinaus kann sich eine
flexible Schlagflügelfläche 31 optimal
an die momentanen Strömungsverhältnisse anpassen.
Durch die leichte Konstruktionsweise verringert sich darüber
hinaus das Leistungsgewicht.
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11 zeigt
ein hubschrauberähnliches Fluggerät mit einem
erfindungsgemäßen Antriebsaggregat als Hauptantrieb.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel verwendet die in 10 beschriebene Schlagflügelkonfiguration.
Der hervorragende Wirkungsgrad des um 1960 publizierten Wellpropellerantriebes
von Wilhelm Schmidt basierte auf dem Zusammenwirken eines „Wellers",
welcher den angetriebenen Schlagflügel bildete, und eines
hinter dem Schlagflügel angeordneten „Entwellers",
einer festen Fläche, welche die Aufgabe hatte die Wirbelbildung hinter
dem Schlagflügel zu reduzieren und den entstehenden Schubstrahl
zu richten. Die unterhalb des Antriebsaggregates am Behälter 37 befestigten
Steuerflächen 34 übernehmen die selbe
Aufgabe. Werden diese mit Hilfe aktiver Stellelemente als Ruderklappen
verwendet, können sie die seitliche Manövrierfähigkeit
und auch die Steuerbarkeit um die zur Raumachse 1 des Antriebsaggregates
parallelen Hochachse des Fluggerätes ermöglichen.
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12 zeigt
eine Schlagflügelkonfiguration für ein erfindungsgemäßes
Antriebsaggregat welche eine Umsteuerung der Förderrichtung
ermöglicht.
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Der
Schlagflügel 2 ist um die Flügelachse 3 frei
drehbar in einem Drehlager 19 befestigt, dessen Drehachse
sich im rechten Winkel zur Schwingachse 4 befindet. Das
Drehlager 19 selbst ist Bestandteil der Flügelaufhängung 36.
Mittels der an der Schlagflügelwurzel angreifenden Zugfeder 20 wird
der Anstellwinkel des unbewegten Schlagflügels 2 in
die Nullstellung gezogen. Die Schlagflügelfläche
ist dabei an einem Gelenk 38 aufgehangen, welches es ermöglicht
mittels eines Aktuators 35 den Abstand A zwischen dem Angriffsschwerpunkt 39 des
Fluides auf die Schlagflügelfläche und der Mittellinie
der Flügelachse 3 zu verändern. Die Veränderung
dieses Abstands kann auch dazu dienen die Fördermenge zu
beeinflussen. Wird der Abstand durch Überschreiten der
Flügelachse 3 negativ kommt es zu einer Umsteuerung
der Förderrichtung (gestrichelte Darstellung).
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13 zeigt
ein erfindungsgemäßes Antriebsaggregat in einer
Konfiguration, welche sich besonders für stark miniaturisierte
Ausführungsformen eignet. Dabei sind die Funktionen der
Flügelaufhängung, der schwingfähigen
Lagerung und der Energiespeicherung in einem biegeelastischen Bauelement 40,
welches Vorzugsweise aus Federstahlblech besteht zusammengefasst.
Diese ist zur Mitte hin fest eingefasst. Am schwingfähigen
Ende des biegeelastischen Bauelements befindet sich die Verdrängerfläche,
welche in dem gezeigten Beispiel aus einer flexiblen Flügelfläche
besteht, welche an einem biegesteifen Vorderspriet 43 befestigt
ist. Als Antrieb für eine solche Konfiguration werden im
gezeigten Beispiel fest mit dem Schlagflügel verbundene
Elektromagnete 42 verwendet, welche auf zwischen den Schlagbereichen
angeordnete, festinstallierte Permanentmagnete 41 abwechselnd
anziehend und abstoßend wirken und so den Schlagflügel
zum Schwingen anregen, wobei die Ansteuerung der Magnete von einer
elektronischen Steuerung übernommen wird. Entsprechend
einer vorteilhaften Weiterbildung wirken dabei die Elektromagneten 42 selbst
als induktive Sensoren, das heißt sie erkennen die Annäherung
des Schlagflügels an den festinstallierten Permanentmagneten
und die Steuerung bestimmt aufgrund dieser Information Zeitpunkt,
Richtung und Stärke des zu erzeugenden Magnetfeldes. Sind
die Elektromagneten durch die Steuerung unabhängig ansteuerbar
eignet sich ein solches Antriebsaggregat als Hauptantrieb für
ein miniaturisiertes Fluggerät, da somit eine Manövrierfähigkeit
in alle Richtungen ermöglicht wird.
-
- 1
- Raumachse
- 2
- Schlagflügel
- 3
- Flügelachse
- 4
- Schwingachse
- 5
- Elektromotor
- 6
- Drehgeber
- 7
- Drehfeder
- 8
- Drehfedergegenlager
- 9
- Stellspindel
- 10
- Antriebsräder
- 11
- Synchronzahnräder
- 12
- Drehfeder
(für Anstellwinkelrückstellung)
- 13
- Flächensegment
1
- 14
- Flächensegment
2
- 15
- Flächensegment
3
- 16
- Flächensegment
4
- 17
- Flächensegment
5
- 18
- Gelenkverbindung
- 19
- Drehlager
- 20
- Zugfeder
- 21
- Servostellelement
- 22
- Elastomerpolster
- 23
- Hebel
- 24
- Kardangelenk
- 25
- Stützblock
- 26
- Obere
Feder
- 27
- Untere
Feder
- 28
- Endanschlag
unten
- 29
- Endanschlag
oben
- 30
- Zugfeder
(für pendelnde Flügelachse)
- 31
- Flexible
Flügelfläche
- 32
- Auslegerwippe
- 33
- Flügelvorderkante
- 34
- Steuerflächen
- 35
- Aktuator
- 36
- Flügelaufhängung
- 37
- Behälter
- 38
- Gelenk
- 39
- Angriffsschwerpunkt
- 40
- Biegeelastisches
Bauelement
- 41
- Permanentmagnet
- 42
- Elektromagnet
- 43
- Vorderspriet
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - „Insektenflug – Konstruktionsmorphologie – Biomechanik – Flugverhalten",
erschienen 2003 im Springer Verlag [0005]
- - http://www.ornithopter.org [0007]
- - http://www.delfly.nl [0007]