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Die Erfindung betrifft ein Rad für ein Wasserfahrzeug mit einem schwimmfähigen Reifen, der in Arbeitsstellung teilweise in Wasser eingetaucht ist, dessen Rotationsachse parallel zur Wasseroberfläche liegt, ausgestattet mit Schaufeln zur Herstellung eines Kraftschlußes mit dem Wasser, deren Wirkflächen senkrecht zu der Hauptfläche des Rades ausgerichtet sind. Ein Gegenstand der Erfindung ist auch ein Wasserfahrzeug dass mindestens ein solchen Rad als Vortriebs- und Hauptantriebsmittel hat.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus (
DE 2035277 A ) ist ein schwimmendes Rad als Element eines Wasserfahrzeuges bekannt, dessen schwimmfähiger Reifen teilweise ins Wasser eingetaucht ist. Die Rotationsachse dieses Rades ist ebenfalls parallel zur Wasseroberfläche. Der Reifen dieses Rades ist mit Schaufeln ausgestattet, um den Kraftschluß mit dem Wasser zu gewährleisten, dabei sind die Wirkflächen dieser Schaufeln senkrecht zu der Hauptfläche des Rades ausgerichtet.
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In einigen Fällen sind anstelle der Schaufeln auf der äußerlichen oder Seitenoberfläche dieser Räder schaufelartige Elemente (wie Rippen) aufgestellt.
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Der Nachteil des bekannten Rades ist sein niedriger Wirkungsgrad bei der Umwandlung der Antriebsenergie in Fortbewegung und entsprechend niedrige Geschwindigkeit des Wasserfahrzeuges.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Rad und ein entsprechendes Wasserfahrzeug derart weiter zu entwickeln, dass durch der geänderte Radkonstruktion ein höherer Wirkungsgrad bei der Fortbewegung erreicht wird.
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Durch die Erfindung sollen auch andere Ziele erreicht werden, die später verdeutlicht werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1 dadurch gekenzeichnet, dass die Schaufeln beweglich ausgestattet sind mit der Möglichkeit sich um eine Achse zu drehen oder sich um diese zu biegen, dabei sind die Achsen der einzelnen Schaufeln parallel zu der Radhauptachse ausgerichtet, weiterhin sind die Schaufelachsen kreisförmig an dem Reifen oder den robusten Elementen des Rades dermaßen befestigt, dass die Schaufeln im Arbeitszustand teilweise oder voll ins Wasser eingetaucht sind, wobei diese Schaufeln durch eine zusätzliche Einrichtung oder infolge ihrer Eigenschaften senkrecht zur Wasseroberfläche gehalten werden.
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Infolge der Beweglichkeit der Schaufeln und durch die erzwungene senkrechte Haltung der Schaufeln gegenüber der Wasseroberfläche während des Eintauchvorgangs werden Bedingungen geschaffen, die das Rollen des schwimmfähigen Rades über die Wasseroberfläche ermöglichen.
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Die Gleitreibung des Schwimmkörpers eines Wasserfahrzeugs und die Gleitreibung schwimmfähiger Räder eines Wasserfahrzeugs werden durch die Rollreibung schwimmfähiger Räder auf der Wasseroberfläche ersetzt. Der Koeffizient der Rollreibung ist wesentlich geringer als der Koeffizient der Gleitreibung. Dadurch wird der Energieaufwand gesenkt, die Energie, die für den Vortrieb gebraucht wird, wird effizienter genutzt und die Geschwindkigkeit des Wasserfahrzeugs wird erhöht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht und eine perspektivische Darstellung des vorgeschlagenen Rades nach der ersten Ausführungsform,
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2 ein Konstruktionsbeispiel des Rades, wenn die Schaufelnachsen an den robusten Elementen des Rades befestigt sind,
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3 ein Konstruktionsbeispiel des Rades, wenn die Schaufeln zwischen zwei Hälften des Rades befestigt sind,
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4 zweiter Ausführungsbeispiel des Rades mit einer richtungsgebender Scheibe,
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5 dritter Ausführungsbeispiel des Rades mit einen richtungsgebenden Ring,
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6 vierter Ausführungsbeispiel des Rades mit einem Exzenter,
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7 ein vergröserter Ausschnitt des Vorrichtungsteils mit der Zahnstange,
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8 fünfter Ausführungsbeispiel des Rades mit einer Kettenrad-Kettenverbindung,
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9 sechter Ausführungsbeispiel des Rades wenn die Schaufel schwerer ist als das durch die Schaufel verdrängte Wasser,
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10 siebter Ausführungsbeispiel des Rades wenn die Schaufel leichter ist als das durch die Schaufel verdrängte Wassers,
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11 achter Ausführungsbeispiel des Rades wenn ein der Schaufelblätter leichter und der andere Schaufelblatt schwerer als das durch die Schaufelblatt verdrängte Wasser ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- schwimmfähiger Reifen
- 2
- Felge
- 3
- Speichen
- 4
- Nabe
- 5
- Radhauptachse
- 6
- Wasseroberfläche
- 7
- Achsen der Schaufeln
- 8
- Schaufeln
- 9
- Kreislinie an der die Achsen der Schaufeln angeordnet sind
- 10
- richtungsgebende Scheibe
- 11
- Achse der richtungsgebenden Scheibe
- 12
- Stützbalken
- 13
- Achsen
- 14
- Schaufeln mit zwei Achsen
- 15
- richtungsgebender Ring
- 16
- Zahnrad
- 17
- Zahnstange
- 18
- Exzenter
- 19
- Stützröhre
- 20
- Feder
- 21
- führendes Kettenrad
- 22
- führende Kette
- 23
- getriebenes Kettenrad
- 24
- Kettenräder
- 25
- Kette
- 26
- Schaufeln, die schwerer sind als das durch die Schaufeln verdrängte Wasser.
- 27
- Schaufeln, die leichter sind als das durch die Schaufeln verdrängte Wasser.
- 28
- Schaufeln, bei denen einer der Schaufelblätter leichter und der andere Schaufelblatt schwerer als das durch die Schaufelblätter verdrängte Wasser ist.
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Ausführungsvarianten
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Das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 gezeigt.
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Das Rad für ein Wasserfahrzeug beinhaltet als Hauptelement einen schwimmfähigen Reifen 1, der an einer Felge 2 festgemacht ist. Die Felge 2 wird durch Speichen 3 an der Radnabe 4 befestigt. Die Radnabe 4 wird entweder fest oder mit einer Möglichkeit zum Drehen an der Achse 5 angebracht. Der schwimmfähige Reifen 1 kann als ein aufblasbarer Schlauch aus einem elastischen Material, als ein hohler Körper oder aus einer aufgeschäumten Plastikart oder anderen schwimmfähigen Materialien beschaffen sein.
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In einigen Fällen kann das Rad als eine vollständige Scheibe aus einem robusten schwimmfähigen Material beschaffen sein ohne die Teilung in Reifen, Felge, Speichen und Nabe. Das Volumen der eingetauchten (unterhalb der Wasseroberfläche 6 befindlichen) Teile der schwimmfähigen Räder soll die Schwimmfähigkeit des Wasserfahrzeugs, das mindestens ein solches Rad aufweist, gewährleisten.
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An dem schwimmfähigen Reifen 1 sind die Schaufelnachsen 7 befestigt. Sie sind gleichmäßig auf einem Kreis 9, der koaxial zur Radhauptachse 5 ist, verteilt. Um ihre Funktionen ausführen zu können, sind die Schaufeln 8 drehbar auf ihren Achsen 7 befestigt. Die sich im Wasser befindlichen Schaufeln 8 vollführen bei dem Rollvorgang keine vollständige Drehung um ihre Achse 7, deshalb können die Schaufen 8 so an ihren Achsen 7 befestigt werden, dass sie eine Biegemöglichkeit um ihre Achsen 7 besitzen.
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Der Kreis 9, in dem die Schaufeln 8 angeordnet sind, kann während des Arbeitsganges des Rades teilweise unter der Wasseroberfläche 6 liegen. Dieser Kreis 9 kann aber auch die Wasseroberfläche 6 berühren oder sich etwas oberhalb derselben befinden.
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Die Schaufeln 8, insbesondere die, die sich im unteren Teil des Rades befinden, müssen sich vollständig oder nur teilweise, unter der Wasseroberfläche 6 befinden vorzugsweise sollten mindestens zwei oder drei der Schaufeln 8 im Wasser sein.
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Neben dem schwimmfähigen Reifen 1 und der beweglichen Schaufeln 8 beinhaltet das Rad ebenfalls eine Einrichtung zur erzwungenen Positionierung der Schaufeln 8, so dass sie senkrecht zur Wasseroberfläche 6 ausgerichtet werden.
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Als eine solche Einrichtung wird in dem ersten Ausführungsbeispiel ein Servoantrieb mit einem eingebauten Horizontsensor gezeigt. Die Servoantriebe befinden sich in den Lager der Schaufelnachsen 7. Es ist möglich, einen elektrischen Servoantrieb zu verwenden.
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Wenn das Rad einen Drehmoment oder eine Zugkraft in Richtung der Bewegung erfährt, verhindern die ins Wasser eingetauchten und senkrecht zur Wasseroberfläche 6 befindlichen Schaufeln 8 das Gleiten (Rutschen) des Rades über das Wasser.
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Die bremsende Wirkung der Schaufeln 8 verhindert diesen Freiheitsgrad der Bewegung des Rades als eines festen Körpers. Damit ein Rad über eine Oberfläche rollt ist diese bremsende Wirkung jedoch unzureichend. Die Drehung der Schaufel 8, die sich im tiefsten Punkt des Drehkreises befindet, um ihre eigene Achse 7, erzeugt einen momentanen Drehpunkt des Rades in diesem tiefsten Punkt.
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Das gemeinsame Zusammenwirken mehrerer ins Wasser eingetauchten Schaufeln 8 erzeugt ebenfalls einen momentanen Drehpunkt im tiefsten Punkt des Drehkreises unabhängig von der Lage der Schaufeln 8. Dadurch erden beide nötigen Bedingungen geschaffen, damit ein Rad über die Wasseroberfläche 6 rollen kann.
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In 1 wird gezeigt, wie die Schaufelnachsen 7 unmittelbar auf dem Reifen 1 seitlich von dem Reifen 1 befestigt sind.
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In 2 wird gezeigt wie die Schaufelnachsen 7 an den robusten Elementen des Rades seitlich von dem Reifen 1 befestigt sind, für den Fall, dass der Reifen 1 aus einem elastischen Material angefertigt ist.
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In 3 wird gezeigt, wie die Schaufelnachsen 7 zwischen zwei Hälften des Rades befestigt sein können.
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Desweiteren können die Schaufeln 8 auch beidseitig an dem Reifen 1 befestigt werden.
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In 4, 5, 6 und 8 werden Ausführungsbeispiele der Räder gezeigt, bei denen die senkrechte Stellung der Schaufeln gegenüber der Wasseroberfläche 6 durch zusätzliche mechanische Einrichtungen erreicht wird. Die gezeigten Varianten erschöpfen nicht alle möglichen Variationen der Konstruktion.
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In 4 wird das zweite Ausführungsbeispiel des Rades gezeigt bei dem eine richtungsgebender Scheibe 10 verwendet wird. Das schwimmfähige Rad besitzt eine richtungsgebende Scheibe 10, deren Drehachse 11 parallel und versetzt zu der Radhauptachse 5 ist. Die Drehachse 11 der richtungsgebenden Scheibe 10 wird durch einen Stützbalken 12 in der richtigen Position gegenüber dem Körper des Wasserfahrzeugs gehalten. Auf der richtungsgebender Scheibe 10 sind kreisförmig Achsen 13 angebracht, die sich parallel zu der Radhauptachse 5 befinden und entsprechend den Schaufelnachsen 7 angeordnet sind. Jede Schaufel 14 wird mit einer Achse 7 auf dem Rad und mit einer Achse 16 auf der richtungsgebenden Scheibe 10 befestigt.
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Beim Rollen des Rades behält die richtungsgebende Scheibe 10 die Schaufeln 14 mit Hilfe der Achsen 13 in einer zur Wasseroberfläche 6 senkrechten Position.
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In 5 ist das dritte Ausführungsbeispiel des Rades gezeigt bei dem ein richtungsgebender Ring 15 verwendet wird. Das schwimmfähige Rad besitzt einen richtungsgebenden Ring 15, dessen Drehachse parallel zu der Radhauptachse 5 ist. Auf dem richtungsgebendern Ring 15 sind kreisförmig Achsen 13 angebracht, die sich parallel zu der Radhauptachse 5 befinden und entsprechend den Schaufelnachsen 7 angeordnet sind. Jede Schaufel 14 ist mit einer Achse 7 auf dem Rad und mit einer Achse 16 auf dem richtungsgebendern Ring 15 befestigt.
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Beim Rollen des Rades behält der richtungsgebende Ring 15 mit Hilfe der Achsen 13 und durch das eigene Gewicht die Schaufeln 14 in einer zu Wasseroberfläche 6 senkrechten Position.
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In 6 ist das vierte Ausführungsbeispiel gezeigt bei dem die Schaufeln 8 in senkrechter Lage zur Wasseroberfläche 6 mit Hilfe eines Exzentermechanismus gehalten werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Zahnrad 16 koaxial zu der Drehachse 7 jeder eizelnen Schaufel 8 angebracht, das mit der Schaufel 8 verbunden ist. Das Zahnrad 16 ist über eine gefederte Zahnstange 17 mit dem Exzenter 18 verbunden, der koaxial zu der Radhauptachse 5 angebracht ist. Der Exzenter 18 ist fest gegenüber dem Körper des Wasserfahrzeugs befestigt.
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Beim Rollen des Rades bestimmt das Profil des Exzenters 18 die Lage einer jeden Schaufel 8, so dass diese beim Eintauchen ins Wasser und währen des Tauchvorgangs stets senkrecht zur der Wasseroberfläche 6 ausgerichtet sind.
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In 7 ist ein vergrößerstes Fragment der seitlichen Ansicht der Verbindung der Zahnstange 17 mit dem Zahnrad 16 dargestellt. Das Zahnrad 16 ist an der Achse 7 der Schaufel 8 befestigt. Die Zahnstange 17 befindet sich in einer Stützröhre 19. Die Feder 20 befindet sich zwischen dem Ende der Zahnstange 17 und dem Ende der Stützröhre 19. Beim Drehen des Rades mit den Zahnstangen 17 um den Exzenters 18 bewegen sich die Zahnstangen 17 innerhalb der Stützröhre 19, drehen die Zahnräder 16 zusammen mit den Schaufelachsen 7 und stellen dadurch die Schaufeln 8 in die gewünschten Winkel ein. Die Federn 20 stellen den permanenten Kontakt zwischen den Zahnstangen 17 und dem Exzenter 18 her.
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In der 8 ist das fünfte Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die senkrechte Lage der Schaufen 8 gegenüber der Wasseroberfläche 6 mit Hilfe einer Einrichtung mit Ketteverbindungen gewährleistet ist. Die Einrichtung zur Steuerung der senkrechten Lage der Schaufeln 8 im Wasser ist ein führendes Kettenrad 21 und ein getriebene Kettenrad 23 gleicher Größe, die über eine Kette 22 oder eine andere Verbindungmittel verbunden sind.
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Das führendes Kettenrad 21 ist unbeweglich zum Fahrzeugkörper befestigt und ist koaxial zur Radhauptachse 5 angebracht. Das getriebene Kettenrad 23 ist an einer Schaufeldrehachse 7 befestigt. An allen Schaufelnachsen 7 sind Kettenräder 24 befestigt, die zur Steuerung der Lage der Schaufeln 8 dienen. Alle diese Kettenräder 24 sind durch eine Kette 25, oder ein anderes Mittel miteinander verbunden.
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Beim Rollen des Rades umrollt die Kette 22 das unbewegliche führende Kettenrad 21 und bringt damit das getriebene Kettenrad 23 zum Drehen zusammen mit der Achse 7 der ensprechenden Schaufel 8 und dem entsprechendem Kettenrad 24. Das Kettenrad 24 gibt den eigenen Neigungswinkel über die Kettenverbindung 25 an alle anderen Kettenrädern 24 weiter und legt dadurch die Ausrichtung der einzelnen Schaufeln 8 senkrecht zur Wasseroberfläche 6 fest.
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In 9, 10 und 11 werden Ausführungsbeispiele von Rädern gezeigt, dessen Schaufeln sich kraft ihrer physikalischen Eigenschaften senkrecht zur Wasseroberfläche 6 halten.
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Im sechsten Ausführungsbeispiel des Rades in der 9 sind die Schaufeln 26 nur mit einem Rand oder darunter, jedoch oberhalb des Schwerpunktes der Schaufel 26, an ihrer Drehachse 7 befestigt. Diese Art der Befestigung erzeugt ein Ungleichgewicht der Schaufel 26 bezüglich der Achse 7. Die Schaufeln 26 sind so gefertigt, dass sie schwerer sind, als das von ihnen verdrängte Wasser (beispielsweise aus Metall).
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Beim Rollen des Rades werden die Schaufeln 26 in die senkrechte Position gegenüber der Wasseroberfläche 6 durch ihr eigenes Gewicht gezwungen.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Schaufelnachsen 7 an der äußeren Oberfläche des schwimmfähigen Reifens 1 oder seitlich von ihm festgemacht.
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In der 10 ist das siebte Ausführungsbeispiel gezeigt in dem die Schaufeln 27 nur mit einem Rand an den Dreh-/Biegeachsen 7 befestigt sind. Diese Art der Befestigung erzeugt ein Ungleichgewicht der Schaufeln 27 bezüglich der Achsen 7. Die Schaufeln 27 sind so gefertigt, dass sie leichter sind, als das von ihnen verdrängte Wasser.
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Beim Rollen des Rades schwimmen die Schaufeln 27 durch das archimedische Prinzip nach oben und stellen sich senkrecht zu der Wasseroberfläche 6 auf.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Schaufelnachsen 7 seitlich der Oberfläche des schwimmfähigen Reifens 1 oder zwischen zwei Hälften des Reifens 1 befestigt, wie das in 3 gezeigt ist.
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In der 11 ist das achte Ausführungsbeispiel gezeigt bei dem jede Schaufel 28 mittig an ihrer Drehachse 7 befestigt ist, so dass jede Schaufel 28 durch die Achse 7 in zwei Schaufelblätter geteilt wird. Die Schaufeln 28 sind so gefertigt, dass die Schaufelblätter oberhalb und unterhalb der Drehachse 7 unterschiedliches Gewicht aufweisen. Das obere Schaufelblatt jeder Schaufel 28, das sich oberhalb der Schaufelachse 7 befindet, ist leichter als das von ihm verdrängte Wasser, und das untere Schaufelblatt, das sich unterhalb der Schaufelachse 7 befindet, ist schwerer als das von ihm verdrängte Wasser.
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Bedingt durch diese Eigenschaften werden die Schaufeln 28 beim Rollen des Rades senkrecht zur Wasseroberfläche 6 ausgerichtet.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Schaufelachsen 7 seitlich der Oberfläche des schwimmfähigen Reifens 1 oder zwischen zwei Hälften des Reifens 1 befestigt, wie das in 3 gezeigt ist.
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In den oben aufgeführten Ausführungsbeispielen und den Abbildungen, die diese Ausführungsbeispiele erläutern sollen, wurde einige Einzelheiten nicht beschrieben oder gezeigt. Diese Einzelheiten verdeutlichen nicht das Hauptanliegen der Erfindung.
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Das Vorgeschlagene Rad kann als Fortbewegungsmittel für amphibische Transportmittel eingesetuzt werden.
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Das vorgeschlagene Rad erzeugt auf Grund seiner Wirkungsweise eine viel geringere Spur auf der Wasseroberfläche, und damit auch weniger Wellen, als andere Wasserfahrzeuge. Durch geringere Wellenerzeugung werden die Ufern von Gewissem geschont. Wasserfahrzeuge mit der vorgeschlagenen Radkonstruktion können beispielsweise in Wasserarealen in Naturschutzgebieten eingesetzt werden.
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Das vorgeschlagene Rad rollt auf dem Wasser. Daher können alle vorgeschlagenen Ausführungsbeispiele zur Bestimmung der von dem Rad zurückgelegten Strecke bestimmt werden.
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Auf der Grundlage des vorgeschlagenen Rades können vielfältige Wasserfahrzeuge realisiert werden. Diese können mit einem Rad, mit zwei Rädern und mit mehr als zwei Rädern ausgestattet sein.
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Auf der Grundlage des vorgeschlagenen Rades können vielfältige Spielzeuge und Wasservergnügungsgeräte realisiert werden.
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Das Profil der unebenen Wasseroberfläche wird durch die Wellen geformt. Daher sind diese Unebenheiten meistens von sehr regelmäßigen Natur. Aus diesem Grund ist es notwendig bei einem Wasserfahrzeug mit mehr als einem Rad ein System zur Schwingungsdämpfung (Stoßdämpfer, Federung) einzurichten.
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Das vorgeschlagene Rad ermöglicht das Rollen eines Rades über die Wasseroberfläche. In diesem Zusammenhang bietet die Umkehrung der Drehrichtung des Rades nicht die nötige Bremswirkung. Damit das Wasserfahrzeug, das mit einem solchen Rad oder mehreren solchen Rädern ausgestattet ist, zum Stillstand kommt, muß am Fahrzeug ein entsprechendes Bremssystem angebracht werden. Als eine Bremsvorrichtung können Schaufeln verwendet werden deren Wirkflächen senkrecht zur Fortbewegungsrichtung ausgerichtet sind, und die zum Bremsen in Wasser eingetaucht werden. Diese Funktion kann auch ein Segel übernehmen, das zum Bremsen ins Wasser gelassen wird,
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2035277 A [0002]
- DE 7000380 U [0003]
- DE 10235273 A1 [0003]
- DE 54205 A1 [0003]
- DE 3511793 A1 [0003]
- US 4264276 [0003]
- US 4072124 [0003]
- US 3934291 [0003]
- FR 2589816 A1 [0003]
- GB 2308835 A [0003]
- EP 265382 A1 [0003]
