DE3740107A1 - Wasserfahrzeug mit motorischem antrieb und mitteln zur fahrgeschwindigkeitsabhaengigen auftriebserhoehung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wasserfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Die Auftriebserzeugung durch Umströmung von Querschnittsprofilen ist Grundlage der Luftfahrttechnik. Der dabei erzeugte Auftrieb ist direkt proportional der Dichte des umströmenden Fluids, also der Luft, sowie proportional dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit; hinzu kommt eine Abhängigkeit von der Geometrie der Profile.

Bei der Umströmung eines Profils mit Wasser werden bei gleichen geometrischen Verhältnissen infolge der wesentlich höheren Dichte des Wassers etwa 800 mal so große Kräfte wie in der Luft erzeugt. Dies wird bei Wasserfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch ausgenutzt, daß die Fahrzeuge als Tragflügelboote mit unterhalb des Schiffsrumpfes angebrachten Tragflügeln ausgeführt werden; diese also starr mit dem Schiffsrumpf verbundenen Tragflügel heben den Schiffsrumpf durch Erzeugung eines Auftriebs aus dem Wasser und verrin­ gern dadurch den Strömungswiderstand. Der Antrieb der Tragflügelboote erfolgt in üblicher Weise beispielsweise mittels Schrauben.

In der Kraftfahrzeugtechnik ist es aus der EP 00 46 602, B62D 37/02, bekannt, unter Ausnutzung des Magnus-Effekts auf strömungstechnischem Wege eine Erhöhung der Bodenhaftung des Fahrzeugs, also der Anpreßkraft zwischen Fahrzeugreifen und Straße, zu erzielen. Zu diesem Zweck ist an jedem Fahrzeugrad ein rotations­ symmetrischer Körper angeordnet, der im gleichen Drehsinn, aber gegebenenfalls mit höherer Drehzahl wie die Fahrzeugräder angetrieben wird und parallel zur Fahrbahnoberfläche gegen die Fahrtrichtung vom Fahrtwind angeströmt wird. Diese bekannte Einrichtung dient also allein der Erzielung einer zusätzlichen Kraft senkrecht zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs.

Für Schwimmfahrzeuge ist schließlich aus der DE-PS 30 41 483, B60F 3/00, eine Antriebsvorrichtung bekannt, die an den Fahrzeugrädern schwenkbar angelenkte Propellerflügel enthält. Diese Einrichtung dient ausschließlich der Erzeugung einer Antriebskraft für das Fahrzeug während des Fahrens im Wasser.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wasserfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, bei dem die Mittel zur Auftriebserhöhung zugleich als Antrieb des Wasserfahrzeugs dienen, so daß ein zusätzlicher Antrieb über Propeller oder dergleichen entweder vollkommen in Fortfall kommen kann oder - bei gleicher Fahrgeschwindigkeit - schwächer ausgelegt werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

In Abweichung von den bekannten Tragflügelbooten sind die Gleitflächen also nicht starr mit dem eigentlichen Wasserfahrzeug verbunden, sondern rotieren relativ zu diesem um Querachsen, die zumindest in Höhe der Wasseroberfläche bei Stillstand des Fahrzeugs, vorzugsweise aber höher verlaufen, so daß die um diese Achsen rotierenden oder schwenkenden Gleitflächen sich im Wasser nur in einer Richtung, nämlich entgegen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs, bewegen. Dabei ist der Anstellwinkel der Gleitflächen so gewählt, daß durch die auf ihre Rotation zurückzuführende Bewegung der Gleitflächen im Wasser auf diese sowohl Kraftkomponenten im Sinne eines Auftriebs des Wasserfahrzeugs als auch Kraft­ komponenten im Sinne eines Vortriebs desselben ausgeübt werden.

Voraussetzung für diese Wirkungsweise ist eine solche Winkelgeschwindigkeit der Gleitflächen, daß ihre Umfangsgeschwindigkeit erheblich höher als die Fahrge­ schwindigkeit des Fahrzeugs ist, zumal die Relativgeschwindigkeit zwischen den Gleitflächen und dem Wasser (bei Außerachtlassung einer zusätzlichen Wasser­ strömung) durch die Differenz zwischen durch Rotation hervorgerufener Geschwin­ digkeit der Gleitflächen einerseits und Geschwindigkeit des Fahrzeugs andererseits gegeben ist. Je höher diese Relativgeschwindigkeit ist, desto größer ist auch die Wirkung der Gleitflächen.

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht der erfindungs­ gemäßen Einrichtung zur Erhöhung des Auftriebs des im übrigen nicht dargestellten Fahrzeugs und zur Erzielung einer Antriebskraft,

Fig. 2 perspektivisch die wesentlichen Teile der Ein­ richtung nach Fig. 1,

Fig. 3 ebenfalls perspektivisch eine andere Auführungs­ form der Erfindung und

Fig. 4 eine Ausführung mit Änderung des Anstellwinkels.

In den Figuren finden folgende Bezeichnungen für die verschiedenen Richtungen, Kräfte und Geschwindigkeiten Verwendung:

x und zKoordinatenachsen des Systems Vabsolute Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs vUmfangsgeschwindigkeit der Gleitflächen bzw. der diese bildenden Gleitkörper v _rel Relativgeschwindigkeit der Gleitkörper gegenüber dem Wasser Rresultierende Kraft an jedem Profil infolge Umströmung mit dem Wasser XKraftkomponente der Resultierenden R in x-Richtung ZKraftkomponente der Resultierenden R in z-Richtung AProfilauftrieb Anstellwinkel zwischen Profilsehne und Anströmrichtung.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 stehen insgesamt sechs gleichmäßig über den Umfang verteilte, gekrümmte Querschnittsprofile ähnlich Tragflügeln aufweisende Gleitkörper 1-6 in Antriebsverbindung mit einer bei 7 angedeuteten angetriebenen Achse eines als Amphibienfahrzeug ausgebildeten Kraftfahrzeugs. Diese Verbindung kann dadurch erfolgen, daß die Gleitkörper 1-6 direkt auf einem Antriebsrad angeordnet sind; vorteilhaft ist jedoch zur Erzielung einer möglichst hohen Umfangsgeschwindigkeit v der Gleitkörper 1-6 die Zwischenschaltung eines Getrie­ bes. Auch kann es sinnvoll sein, eine Einrichtung zur Anderung des Anstellwin­ kels α in Abhängigkeit von der jeweiligen Drehwinkelstellung der einzelnen Gleitkörper oder aber in Abhängigkeit von der gewünschten Antriebs- und Auftriebs­ kraft vorzusehen.

Der Verlauf der verschiedenen oben erläuterten Größen bei Rotation der Gleitkörper um die Achse 7 im Sinne des Pfeils 8 ist für verschiedene Positionen der Gleit­ körper im Wasser aus Fig. 1 ersichtlich. Der Anstellwinkel der Gleitkörper ist so gewählt, daß sich ihre bezüglich der Rotationsbewegung 8 vorderen Kanten auf einem Kreis 9 bewegen, dessen Radius kleiner ist als der Bewegungskreis 10 der in Richtung des Pfeils 8 jeweils hinteren Profilkanten der Gleitkörper 1-6. Wie aus Fig. 1 ferner ersichtlich, tragen nicht alle im Wasser befindlichen Gleitkörper, also hier die Körper 4, 5 und 6, in jedem Augenblick zur Erzeugung einer Antriebskraft X bei; vielmehr müssen die von den Gleitkörpern 4 und 5 bei ihrer augenblicklichen Stellung erzeugten Horizontalkräfte X in ihrer Summe größer sein als die entsprechende Kraftkomponente, die auf den Gleitkörper 6 wirkt, um eine Vortriebskraft zu erzeugen.

Infolge Anordnung der Achse 7 etwas oberhalb der Wasseroberfläche 11 bereits bei in Ruhe befindlichem Fahrzeug erfolgt die Bewegung der Gleitkörper in Richtung der Fahrzeuggeschwindigkeit V außerhalb des Wassers und damit in Luft, so daß die gerade außerhalb des Wassers befindlichen Gleitkörper 1, 2 und 3 bei ihrer Rotation um die Achse 7 praktisch keine Kräfte auf das Fahrzeug ausüben.

Betrachtet man nun die Gleitkörper 1-6 im einzelnen, so sind sie identisch aufgebaut, so daß es genügt, den Gleitkörper 1 zu beschreiben. Wie bereits erwähnt, besitzen die Gleitkörper Querschnittsprofile ähnlich Tragflügeln. Dabei weisen die krümmungsinneren Seiten bzw. Flächen 1′ nach außen, d.h. die Krümmungsmittel­ punkte der Flächen liegen außerhalb des von dem Kreis 9 umschlossenen Bereichs. Die bezüglich der Bewegungsrichtung 8 vorderen Kanten 1′′ aller Gleitkörper sind etwas abgerundet, während die diesbezüglich hinteren Kanten 1′′′ relativ spitz auslaufen. Im einzelnen ist die Wahl der Querschnittsform abhängig von den indi­ viduellen Verhältnissen - dies gilt auch für die Anzahl der Gleitkörper.

Als Gleitflächen sind vor allem die nach außen weisenden Flächen 1′ zu bezeichnen, jedoch trägt auch die Form der nach innen weisenden Flächen der Gleitkörper zu ihrer strömungstechnischen Wirkung bei.

Fig. 2 zeigt perspektivisch die Anordnung nach Fig. 1, wobei wiederum auf die Darstellung des Fahrzeugs verzichtet ist.

In der Ausführungsform nach Fig. 3 werden die Gleitflächen nicht durch einzelne Gleitkörper, sondern durch einen hohlwalzenartigen Körper 20 mit sägezahnartigem Oberflächenprofil gebildet. Der Körper 20 rotiert um die Achse 21 bei der durch den Geschwindigkeitsvektor V angedeuteten Bewegungsrichtung des Wasserfahrzeugs mit der Geschwindigkeit v im Sinne des Pfeiles. Auch hier bewegen sich die Vorder­ kanten der Gleitflächen 22 auf einer Zylinderfläche 23 um die Achse 21, die einen kleineren Radius besitzt als die entsprechende zylindrische Bewegungsbahn 24 der in Bewegungsrichtung hinteren Kanten der Gleitflächen.

Auch bei dieser Konstruktion ergibt die vektorielle Summe der in z-Richtung auf die einzelnen Gleitflächen wirkenden, durch die Umströmung hervorgerufenen Kräfte eine auf die Achse 21 und damit das eigentliche Fahrzeug wirkende Auftriebskraft, während die vektorielle Summe der Kraftkomponenten in x-Richtung eine Vortriebskraft erzeugt.

Fig. 4 schließlich liegt die anhand der Fig. 1 und 2 beschriebene Anordnung zu­ grunde, jedoch sind Mittel zur Verstellung des Anstellwinkels vorgesehen.

Die Gleitkörper 30, 31 und 32 (sowie alle weiteren vorhandenen Gleitkörper) stehen bei 30′, 31′ und 32′ mit der Scheibe 34, dagegen bei 30′′, 31′′ und 32′′ mit der Scheibe 33 in Schwenkverbindung. Während Scheibe 34 um die Antriebsachse 35 rotiert, liegt der Mittelpunkt der Scheibe 33 exzentrisch dazu bei 36. Durch Relativver­ drehung beider Scheiben 33 und 34 läßt sich ein gewünschter Verlauf des Anstellwin­ kels während eines Bewegungsumlaufs voreinstellen.

Claims (7)

1. Wasserfahrzeug mit motorischem Antrieb und Mitteln zur fahrgeschwindigkeits­ abhängigen Auftriebserhöhung, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel um bei Stillstand des Fahrzeugs zumindest in Höhe der Wasseroberfläche (11) verlaufende Querachsen auf im wesentlichen senkrechten kreisförmigen Bahnen (9,10) rotierende, derart aufgestellte Gleitflächen (1′) enthalten, daß sich ihre bezüglich der Rotationsbewegung (8) vorderen Kanten (1′′) auf kleine­ ren Radien als ihre bezüglich der Rotationsbewegung (8) hinteren Kanten (1′′′) bewegen, wobei die Richtung der Rotationsbewegung (8) derart gewählt ist, daß sich die jeweils eingetauchten Gleitflächen relativ zum Wasser entgegen der Fahrtrichtung (V) des Fahrzeugs bewegen.

2. Wasserfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitflächen durch individuelle Gleitkörper (1-6) gebildet sind.

3. Wasserfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitkörper (1-6) gekrümmte Querschnittsprofile ähnlich Tragflügeln besitzen, wobei die krümmungsinneren Seiten (1′) nach außen weisen.

4. Wasserfahrzeug nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Änderung der Anstellwinkel (α) der Gleitkörper (1-6) vorgesehen sind.

5. Wasserfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Gleitflächen (22) durch einen walzenartigen Körper (20) mit einem sägezahnartigen Ober­ flächenprofil gebildet sind.

6. Wasserfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserfahrzeug ein schwimmfähiger Kraftwagen ist und die Gleitflächen durch Gleitkörper (1-6) gebildet sind, die an angetriebenen Rädern des Wagens befestigt sind.

7. Wasserfahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zwei exzentrische Scheiben (33, 34) enthalten, die jeweils individuelle Angriffs­ stellen (30′, 31′, 32′; 30′′, 31′′, 32′′) an den Gleitkörpern (30, 31, 32) besitzen.