DE3608991A1 - Schlagflaechen-antriebssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verbesserung der Wirkleistung von Schlagflächenantrieben wie Schwingen- und Flossen-Antrieben, die bekanntermaßen nach dem gleichen Grundprinzip wirken.

Das Kernproblem eines solchen Schlagflächenantriebs ist die Koordinierung eines Parallelschalgs mit einem ebenfalls aktivem, d. h. kraftbedingten Drehschlag der Vortriebselemente Schwingen wie Flossen: Das heißt, wie Prof. Hertel definierte, ein "gekoppelter Parallel-Drehschlag" resultiert; s. Fig. 1.

In der Natur wird dies bei den fliegenden und schwimmenden Tieren, am Beispiel eines Vogels gezeigt, durch bestimmte Muskeln, so den Delta- und Hakenarmmuskeln bewirkt, die die Schwingen um ihre Längsachse drehen, nämlich pronieren (abwärtskippen) und supinieren (aufwärtskippen) (siehe W. Nachtigall "Warum die Vögel fliegen" Verlag Rasch und Röhring, Hamburg 1985).

Dieser an sich schon länger bekannte Bewegungsablauf ist nun nach den bisherigen vielfältigen Erfahrungen mit den üblichen mechanischen Antriebselementen und Steuerungen sehr schwer zu realisieren und deswegen noch nicht gemacht worden.

Die Schwierigkeit eines Schlagflächenantriebs liegt darin, einem an sich wenig problematischen Parallelschlag einen Drehschlag im richtigen Moment und in der richtigen Richtung zu überlagern. Die Ankopplung muß verzögerungsarm und in der richtigen Drehrichtung erfolgen und sich im Notfall bei Triebwerksausfall, aber auch beim Abstellen des Triebwerks zum Gleiten, automatisch selbsttätig auskuppeln, weil sonst die Schlagflächen bis zu einer Drehendlage fest stehen bleiben könnten, wodurch eine starke Luftbremsung mit Absturzgefahr besteht.

Alle Bemühungen, unter Ignorierung des Vorstehenden den Schwingen- oder Flossenschlag technisch brauchbar zu machen, z. B. durch Nutzung von Luft- und/oder Federkräften eine passive Drehschlaganstellung zu bewirken, so auch bei DPA 35 10 750, zeigten eine nur mäßige Nutzwirkung, die etwa der von üblichen Luft- und Wasserschrauben entsprach (Prof. Lippisch und von Holst).

Ein brauchbarer aktiver Drehschlagantrieb mit der notwendigen Ansteuerung war bis jetzt nicht machbar, mit Ausnahme des bekannten Voith-Schneider-Propellers, der selbst für Wasserfahrzeuge schwer und vor allem kompliziert und teuer ist, so daß er dort wenig Verwendung findet.

Die bisherigen Vorschläge und Versuche mit Kraftbetätigung des Drehschlags und einer Ankopplung an den Parallelschlag, wie z. B. in den DRP 5 35 416, 6 30 559, oder OLS 20 05 383, scheiterten offensichtlich an dem großen Aufwand an mechanischen oder elektrischen Mitteln und damit einem rel. hohen Gewicht, so daß es für Flugzwecke schon garnicht geeignet war, sowie auch wahrscheinlich an einer unexakten Kopplung, Signallaufzeitdifferenzen oder Trägheiten.

Selbstredend wurde dies auch mit Fluid-Kraftmitteln versucht, wie z. B. in der DAS 12 75 872. Nach dieser Schrift wird die Drehschlagenergie pneumatisch aus der Parallelschlagkraft gewonnen, wobei ein Teil dieser Energie in ein Druckspeichersystem geladen wird, von dem aus pneumatische Drehschlagmotore beaufschlagt werden. An dieser Anordnung ist einiges zu bemängeln: so die Zwischenschaltung von Druckspeichern, die in der Pneumatik üblicherweise als Verzögerungsglieder dienen. Mit einer solchen Anordnung ist weder ein exaktes Timing noch ein schnelles Ansprechen der Pneumatik zu erwarten. Auch die angedeutete Angriffsweise der Drehkraft und die Festigkeit der Schwingenanordnung sind zu bezweifeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsanordnung für Schlagflächen, wie Schwingen und Flossen zu schaffen, bei der die noch theoretischen Voraussetzungen des "gekoppelten Paralleldrehschlags" genügend erfüllt und demnach die Nutz-Vortriebs- und -Hubleistung der damit ausgestatteten Fahrzeuge erhöht wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß außer dem obligatorischen Parallelschlagantrieb ein separater Drehschlagantrieb vorgesehen ist, wobei beide Antriebe über schlagrichtungsabhängige Koppelglieder miteinander verbunden sind, s. Fig. 9 u. 10.

Überraschenderweise erwiesen sich fluidische Mittel für die Drehschlagantriebe besonders geeignet, weil diese leicht und schnell sind.

Die Anwendung fluidischer Antriebsysteme, selbst der Pneumatik, erscheint besonders für Fluggeräte auf den ersten Blick absurd. Ist doch einerseits die Druckluft als teuer bekannt und andererseits scheint ein komplettes Fluidantriebsystem mit Druckerzeuger und/oder -Speicher zumindest für Flugzeuge zu schwer. Und auch dann, wenn man die Druckluft am Boden "tankt" kann ein mitnehmbarer Druckenergievorrat nur bescheiden sein.

Aber der Antriebsleistungsbedarf eines mit Schlagflächen angetriebenen Fahrzeugs ist wesentlich geringer, weil gegenüber einem Schraubenantrieb die Turbulenzentwicklung wesentlich geringer ist. Durch die initiierte turbulenzarme gewellte Schubströmung wird zudem sowohl induzierte wie die Interferrenz-Widerstände reduziert, wie auch kein Schraubendrall auftritt.

Die Summe der Widerstände und somit der Energiebedarf werden dadurch drastisch verringert, so daß auch die an sich bis jetzt für Flugantriebszwecke nicht sinnvollen fluidischen Antriebe vorteilhaft eingesetzt werden können.

Der Hauptvorteil dieser Erfindung ist, daß die besseren Eigenschaften eines Schlagflächenantriebs voll zur Geltung kommen, d. h., daß ein besserer Gesamtwirkungsgrad - auf das komplette Fahrzeug bezogen - zu erwarten ist.

Ein mit einem solchen Antrieb ausgestattetes Fahrzeug ist im Endeffekt leichter, leiser und verbraucht weniger Treibstoff als ein bisher übliches mit Schraubenantrieb.

Weiter wird durch eine, im folgenden auch beschriebene, Phasenverstellvorrichtung es möglich, den Antrieb im Flug von reinem Vortrieb kontinuierlich bis zu reinem Hub zu verstellen und zurück, so daß damit ausgestattete Flugzeuge sowohl beste Schnellflug- als auch Hubschraubereigenschaften aufweisen, wobei vergleichsweise der Treibstoffverbrauch wie Lärmentwicklung gering bleiben.

Diese Erfindung schließt an DPA 35 10 750 an, in der andere wesentliche Verbesserungen von Schwingenantrieben gebracht und auch schon Voraussetzungen für einen möglichen separaten Drehschlagantrieb konstruktiv eingebracht wurden.

Im folgenden ist die Grundfunktion sowie zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung nachfolgend beschrieben und in Zeichnungen dargestellt.

In Fig. 1 sind die vier Hauptwirkrichtungen eines "gekoppelten Paralleldrehschlags" und die dazu nötige Flächenanstellung dargestellt, die durch bestimmte Einstellungen der Antriebsanordnung bewirkt werden. Die jeweilige Wirkrichtung wird durch eine bestimmte Phaseneinstellung bestimmt, die durch die Folgesteuerung des Drehschlags bewirkt wird, wozu die im folgenden beschriebenen Vorrichtungen dienen.

In Fig. 2 ist schematisch ein Schwingenflugzeug dargestellt, dessen Schwingen aus dem Armgelenk heraus arbeiten und auf das die Antriebsanordnungen gemäß diesem Patent gut anwendbar sind, wozu insbesondere in den Fig. 3 bis 5 dargestellten Vorrichtungen dienen. Die gezeigte libellenartige Anordnung mit zwei gekoppelten Schwingenpaaren ist nicht obligatorisch aber sehr zweckmäßig, weil damit eine ruhigere Flugbewegung entsteht als mit einer paddelartigen. In Fig. 3 ist schematisch der Antrieb für den Parallelschlag I dargestellt, bei dem als Reversiermotore für die Schwingarme (2) doppeltwirkende Fluidmotore (3) benutzt werden, wobei aber sonst prinzipiell, weil rel. unkritisch, auch andere Reversierantriebe wie Kurbeltriebe, Schwenkmotore und schließlich auch die Muskelkraft des Piloten und der Passagiere als Kraftquelle verwendbar sind.

Fig. 4 zeigt, als dem wesentlich kritischeren Element eines solchen Antriebs, einen Drehschlagerzeuger einen doppeltwirkenden Fluidzylinder als Reversiermotor (3), der durch die Drehschlagfolgesteuerungen II gemäß Fig. 9 und 10 angesteuert wird, und damit den drehbar auf den Schwingarmen (2) angebrachten Schwingflächen (1) die gewünschte oszillierende Verdrehrichtung verleihen.

Bei der vorgesehenen Libellenanordnung sind die zwei Hauptschwenkachsen (4) durch Zahnradpaare (5) gekoppelt, s. Fig. 4.

In Fig. 5 sind die Schwingflächen (1) auf den Schwingarmen (2) reibungsarm in einem Winkel bis 90° drehbar, in Radiallagerungen (6) gelagert, die wiederum durch auf den Schwingarmen (2) befestigte Axiallager (7) gegen Fliehkräfte gesichert werden.

In Fig. 6 ist eine andere Ausführungsform eines Schwingenflugzeugs, und zwar ein solches mit einem parallelgeführten Parallelschlagsystem dargestellt.

Die Schwingen (1) sind, wie im vorgehenden, auf Schlagflächenarmen (2) drehbar angeordnet, die wiederum reversierend in einem auf- und abgehenden Fahrkorb (8) eingebaut sind. Die Fahrkörbe sind reibungsarm und verdrehsicher in Führungen (9) geführt und werden durch Seile bzw. Ketten auf- und abbewegt. Die Umschlingungsräder (11) verkürzen bei langen Hubwegen den Abstand zwischen zwei auf diese Weise verbundenen Fahrkörben und damit Schwingen. Ein an sich beliebiger Parallelschlagantrieb I, der nicht besonders eingezeichnet ist, kann entweder an den Seilen bzw. Ketten, den Fahrkörben (8) oder an den Achsen der Umschlingungsräder (11) bzw. den Achsen der Kettenräder angreifen.

In Fig. 8 ist ein Drehschlagantrieb II für diese Anordnung angedeutet, der sich und noch mehr wegen des darin gegebenen Platzes besonders günstig unterbringen läßt. Im Prinzip ist dies der gleiche Drehschlagantrieb wie in den Fig. 4 und 5. Als Drehschlag-Reversiermotor (3) dient z. B. ein doppeltwirkender Fluidzylinder, wieder beaufschlagt und gesteuert nach den Schaltungen gemäß den Fig. 9 und 10. Das besondere dieser Fahrkorbanordnung ist, eine gute Möglichkeit zu haben, die Reversiermotoren (3) in ihrer Lage durch Verstelltriebe (12) wahlweise zu verändern, was eine Phasenverschiebung bewirkt. Dazu wird z. B. der Reversiermotor (3) in seinem Auflagepunkt (13) auf einer Gleitbahn (14) beweglich angeordnet und durch einen selbsthaltenden Verstelltrieb (12), wie z. B. einem Schneckentrieb, oder, wie in Fig. 8, einem doppeltwirkenden hydraulischen Zylinder, wahlweise auf der Gleitbahn (14) verstellt, wodurch sich die gewünschte Phasenlage, siehe Fig. 1, verändern läßt.

Die Drehschlagantriebe II bedürfen zur Einstellung einer bestimmten Phasenlage einer bestimmten Ausgangslage und einer besonderen Folgesteuerung, von der zwei Beispiele fluidischer Art in den Fig. 9 und 10 schematisch dargestellt sind.

Fig. 9 stellt demgemäß einen Hybridantrieb dar, bei dem der Parallelschlagantrieb I mit anderen Kräften als fluidischen, so motorgetriebenen Kurbeltrieben, bis hin zu Muskelkraft betrieben werden kann.

Die Ankopplung an den Drehschlagantrieb II kann in diesem Falle mit einem an den Schwingenarmen (2) angelenkten doppeltwirkenden Fluidzylinder als Drucksignalgeber-Koppelglied (15) erfolgen, wobei im unbetätigten Zustand Schwingarm (2) und damit auch das Koppelglied in Mittestellung stehen, die 3/2-Öffner-Wegeventile also geschlossen sind. Da in dieser Stellung der Fluid-Reversiermotor (3) von keiner Seite beaufschlagt ist und das Druckmedium aus dem Wegeventil abfließen kann, wird die Schlagfläche nicht festgehalten und kann sich in einem begrenzten Winkel auf dem Schlagflächenarm (2) frei drehen, also dem Luftstrom anpassen.

Wird nun das Parallelschlagantriebsorgan I - hier nur durch einen Doppelpfeil angedeutet - in Gang gesetzt, bewegt sich auch das angelenkte Signalgeber-Koppelglied (15) in diese Richtung, wodurch ein Drucksignal auf das fluidisch betätigte Wegeventil (16) gegeben wird, das den betreffenden Stellzylinder (3) der Schwingendrehvorrichtung II beaufschlagt.

Im unbetätigten Zustand ist, besonders bei Motor-Fremdantrieb, der Parallelschlagantrieb I z. B. mit Schaltkupplungen abzukoppeln, so daß die Schlagflächenarme (2) z. B. durch Federn (17) in die Mittelage geführt werden kann (siehe oben).

Bei einer solchen Hybrid-Antriebsanordnung ist der Druckenergieverbrauch rel. gering, so daß ein Druckenergie-Erzeuger bzw. ein Druckspeicher (18) rel. leicht sein kann.

In Fig. 10 ist eine vollpneumatische Antriebsanordnung gezeigt, wobei zur Sicherstellung der richtigen Schlagrichtung auch ein spezielles Koppelglied (19) nötig ist, das hier als Trägheitssteuerung ausgelegt ist. Die fluidische Schaltung für den Parallelschlag entspricht den üblichen, die mit Endschaltern (20) oder ohne ausgelegt sein kann. Bei ausgeschaltetem oder ausgesetztem Hauptantrieb I ist, da ohne Beschleunigung, ohne Signal und damit der Drehschlagantrieb II wie oben drucklos, so daß auch so dann die Schlagflächen frei spielen können.

Im Gegensatz zu Luftschrauben haben die Schwingen (1) im Stand noch eine tragende Funktion, die auch von der momentanen Ruhestellung der Schwingen kaum beeinflußt wird. Die angeführten Beispiele sind vielfältig variier- und ausbaubar.

• Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen I  Parallelschlagantrieb
  II  Drehschlagantrieb
   1 Schlagflächen
   2 Schlagflächenarme
   3 Reversiermotor
   4 Hauptschwenkachse
   5 Zahnradpaar
   6 Radiallager
   7 Axiallager
   8 Fahrkorb
   9 Fahrkorbführung
  10 Seile/Ketten
  11 Umschlingungsrad
  12 Stelltrieb, selbsthaltend
  13 Auflagerpunkt
  14 Gleitbahn
  15 Drucksignalgeber-Koppelglied, richtungsabhängig
  16 Wegeventil
  17 Feder
  18 Druckenergie-Speicher, bzw. -Erzeuger
  19 Trägheits-Koppelglied, schlagrichtungsabhängig
  20 Endschalter
  21 Zahnräder, auf Achsen befestigt

Claims (13)

1. Schlagflächenantrieb zur Erzeugung eines exakten gekoppelten Paralleldrehschlags, dadurch gekennzeichnet, daß außer dem motorischen Parallelschlagantrieb I ein separater Drehschlagantrieb II vorgesehen ist, wobei die beiden Antriebe über schlagrichtungsabhängige Koppelglieder verbunden sind, siehe Fig. 9 und 10.

2. Drehschlagantrieb II gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerkreis mit je einem 3/2-Öffner-Wegeventil (16) an den beiden Seiten eines doppeltwirkenden Fluid-Reversiermotore (3) als Drehschlagmotor angeordnet ist, wobei die Wegeventile (16) von einem Schlagrichtungsabhängigen Koppelglied (15 oder 19) betätigt werden.

3. Schlagrichtungsabhängiges Koppelglied (15) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dafür ein von zwei Richtungen abhängiger Drucksignalgeber (15) vorgesehen ist, der in Mittestellung signalfrei ist, aber bei der Bewegung einer daran angelenkten Hauptschwenkachse (4) ein richtungsabhängiges Drucksignal abgibt.

4. Zur Mittestellung des Drucksignalgebers (15) nach Anspruch 3 sind bei Hybridantrieben an der Hauptschwenkachse (4) des Parallelantriebs I Mittel vorgesehen, die bei Aussetzen des Parallelschlagantriebs I diese Schwenkachse (4), z. B. durch Federn (17), in die Mittestellung zurückführen, sowie außerdem u. U. eine Schaltkupplung in der Hauptschwenkachse (4), die aber nur an einer Stelle der Kupplungsfläche einrasten darf, vorgesehen ist.

5. Trägheitsschalter als Koppelglied (19) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus einer frei beweglichen Masse besteht, die zwischen zwei Endschaltern (2) bzw. auch z. B. Wegeventilen wie (16) angeordnet ist.

6. Paddelartige Schlagflächenanordnung entsprechend einer halben Libellenanordnung nach Fig. 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Hauptschwenkachse (4) ein Reversiermotor (3) befestigt ist, siehe Fig. 4, der über Hebel mit den auf den Schlagflächenarmen (2) verdrehbar angeordneten Schlagflächen (1) in Eingriff steht.

7. Libellenartige Schlagflächenanordnung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der vorgenannten paddelartigen Schlagflächen (1) übereinander angeordnet sind, siehe Fig. 2 bis 4, wobei die Hauptschwenkachsen (4) über Zahnradpaarungen (5) im Eingriff stehen.

8. Leicht bewegliche Anordnung der Schlagflächen (1) auf den Schlagarmen (2), die fest mit der Hauptschwenkachse (4) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß Radiallager (6) die auf den Schlagarmen (2) leicht verdrehbaren Schwingflächen (1) radial führen, die axial durch Gegenlager (7) abgefangen werden.

9. Gegenläufige Parallelführungsanordnung für den Parallelschlagantrieb I mit fahrkorbähnlichen Schlagflächenaufnahmen (8) (siehe Fig. 7), dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewährleistung des Gleichlaufs der die Schlagarme (2), wie die Drehantriebe II aufnehmenden Fahrkörbe (8), die diese bewegenden Seile oder Ketten (10) über paarweise auf Achsen fest angebrachte Umlaufräder (11) bzw. Zahnräder an den Umlenkstellen (21), laufen.

10. Parallelschlagantrieb I gemäß Anspruch 9 und Fig. 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelschlagkraft sowohl direkt an den Seilen bzw. Ketten, den Fahrkörben oder an den Achsen der Umschlingungsräder (11), an denen die Seile befestigt sind, bzw. den Zahnradpaarachsen (21) angreift.

11. Schlagarm- (2) und Drehantriebs-Aufnahme in den Fahrkörben (8) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagarmaufnahme (siehe Fig. 8) im Fahrkorb durch entsprechende Lagerung leicht drehbar ist, auf die über einen Hebelarm ein Reversiermotor (3) wirkt.

12. Phasenverstellvorrichtungen in den vorgehenden Anordnungen gemäß den Ansprüchen 6, 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Reversiermotor (3) in seinem Auflagepunkt (13) auf einer Gleitbahn (14) beweglich angeordnet und mit einem selbsthaltenden Stelltrieb (12) verstellbar ist.

13. Drucksignalkoppelglied (15) gemäß Anspruch 3, aber mit Neutralpunkt-Rückstelleigenschaft -gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als solches zwei pneumatische Einfachzylinder mit Außenruhelage (wie Gasfedern) vorgesehen sind, die entgegengesetzt an den Schlagflächenarmen (2) angreifen.