DE4125974A1 - Schwingfluegler-antrieb - Google Patents

Description

In der Bronzezeit, als die Götter am Himmel flogen, kopierte man bewährte Vorbilder der Natur, so auch den Schwingflügel-Flug der Vögel. Cherub-Dampfmaschinen bewegten mit ihren Armen bis zu 2,5 Meter lange, an Gestellen unterhalb von Heißluftballons angebrachte Schwingflügel. Seitdem hat es zwar viele Versuche zur Kopie des Schwingflügel-Flugs der Vögel gegeben, die aber durchweg scheiterten. Dabei ist das Kopieren des Vogelflugs aus mehrfacher Sicht für unsere Zukunft interessant. Der spezifische Energieverbrauch eines Vogels liegt unter einem Dreißigstel von unseren heutigen Starrflüglern. Entsprechend gering ist der Kraftstoffverbrauch z. B. im Vergleich zum Auto. Vögel fliegen nahezu geräuschlos. In der Luft gibt es keine Verkehrsampeln und Staus. Wenn es uns gelingt, Menschen mit Schwingflügel-Fluggeräten zu versorgen, so können wir eine Vielzahl heutiger Probleme elegant lösen.

Heutige Motoren arbeiten durchweg mit Drehbewegung. Für Umsetzung in eine auf- und abschwingende Bewegung für den Schwingflügelflug bietet sich eine Umkehr des Antriebs früherer Dampfmaschinen an. Ein Verbrennungs- oder Elektromotor speist an der Stelle des Schwungrads ein. Er läßt eine aus Kurbel, Koppel und einem in einer Kulisse geführten Kreuzkopf bestehende Anordnung hin- und her bzw. auf- und ab gehen. Doch diese Flügelbewegung schafft noch keinen Vortrieb und Auftrieb. Dazu müssen zusätzlich die Flügel verdreht werden. Beim kräftigen Abwärtsschlag sind die hinteren Flügelkanten nach oben schräg zu legen, damit sie quasi Luft nach hinten schieben können und das Fluggerät nach vorn schieben. Beim nach oben zurückschwenkenden Flügel hat sich umgekehrt die hintere Flügelkante nach unten zu neigen.

Diese Flügelbewegungen spielen sich synchron, doch zusätzlich leicht phasen­ verschoben zwischen Flügelschlag und Flügeldrehung ab. So eine synchrone und mechanisch phasenverschobene Bewegung läßt sich am einfachsten über Rollentriebwerke bewerkstelligen. Auf der umlaufenden Motorwelle befinden sich nebeneinander exzentrische Kurvenscheiben, wobei die eine den Flügel-Auf- und -Abschlag bewirkt, und die weiteren z. B. über Zugseile die synchrone, aber phasenverschobenen Flügelverdrehungen in den einzelnen Flügelteilen auslösen. In perfekter Naturkopietechnik müßte ein Schwingflügler grundsätzlich mit Zugseilen nach der Art von Sehnen arbeiten. Hier ermöglicht eine umlaufende Kurbel mit Kugellager am Ende, an dem mehrere Seilzüge befestigt sind, die durch unterschiedlich am Umfang verteilte Seilzuglöcher bzw. -Rollen laufen, die Kom­ bination von Schwingbewegungen mit phasenverschobener Drehbewegung von Flügeln. In moderner dezentralisierter Technik bedient man sich hingegen vorteilhafterweise getrennter Antriebe für die Schwingflügel und deren Drehbewegung. Beide Bewegungen müssen jedoch weitgehend synchron zueinander erfolgen.

Die erfinderische Lösung besteht nunmehr darin, daß ein Hauptmotor über Kurbel, daran befindliche Zugseile, Exzenter mit Rollenabgriff usw. in bekannter Weise eine Drehbewegung in eine auf und ab gehende Bewegung umsetzt, welche die Flügel eines Fluggeräts schwingen läßt. Dazu bedarf es aus Gewichtsgründen recht hochtouriger Verbrennungs- oder Elektromotoren, deren Drehzahl mit Hilfe von Getrieben auf die relativ sehr niedrige Schwingflügelfrequenz reduziert wird. Am Ausgang des Getriebes ist nunmehr ein Drehwinkel-Meßsystem in bekannter Ausführung z. B. mit Potentiometer oder Feldplatten anzuordnen, das den jeweiligen Drehwinkel des Getriebeausgangs und damit die Flügelstellung als Signal an kleinere Servomotoren, welche die Drehbewegung der einzelnen Flügelteile steuern, weitergibt. Dieses Stellungssignal wird in einer eigenen Elektronik der Servos dem Sollwert für die einzustellende maximalen Flügeldrehbewegung zugeordnet. Die Elektronik entscheidet dann an Hand der Stellungsmeldung und der Sollwertvorgabe, welche Spannung dem Servomotor zuzuführen ist, um die zeitlich und amplitudenmäßig richtige Flügeldrehung zu bewirken.

Wird als Sollwert z. B. für den linken Flügel eine Null-Drehbewegung vorgegeben, indessen der rechte Flügel auf maximalen Anstellwinkel für großen Vorschub gesteuert wird, so dreht der Schwingflügler eine Kurve um den linken Flügel.

Unabhängig voneinander lassen sich der äußere Hand- und der innere Armflügelteil synchron zur Flügelschwingung verdrehen, womit eine weitgehende Nachbildung des seit vielen Jahrmillionen in der Natur bewährten Schwing­ flügelflugs von Vögeln und z. T. auch von Insekten möglich wird.

Zum leichteren Verständnis sei auf anliegend zeichnerisch dargestellte Beispiele verwiesen.

Fig. 1 und 2 zeigen eine Anordnung des Schwingflügelantriebs für eine Vogelflugsimulation mit Flügelform einer Rabenkrähe im Querschnitt und als Aufsicht unter Einsatz von in den Flügeln eingebauten Flügelverdreh-Servos.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung mit im Rumpf starr befestigten Servos, welche über Seilzug die Flügelteile drehen.

In Fig. 1 und 2 sind, in Flugrichtung betrachtet, 1 der rechte und 2 der linke Schwingflügel und 3 der Rumpf. Jeder Flügel hat ähnlich wie bei Vögeln Gelenke 4, 5, 6, 7, um die sich die jeweiligen Flügelteile unabhängig voneinander drehen können, um z. B. Vortrieb zu erzeugen. Das Steuern dieser Drehbewegung übernehmen z. B. vier in den Flügeln eingebaute Servomotoren 8, 9, 10, 11. Wie bei Vögeln dient beim Landen der Schwanz als Bremse und kann daher durch einen Schwanzklappservo 12 hochgeklappt werden. Mit 13 ist der Hauptmotor be­ zeichnet, der über Getriebe 14 und Stellungsmelder 15 die auf- und abgehendes Flügelbewegung bewirkt.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung mit im Rumpf 16 starr installierten Servos 17, 18, die mittels Seilzüge am Flügelscharnier 19 in ein Rohr als Flügelschwinger geführt werden, um dann in herkömmlicher mechanischer Art das Verdrehen der einzelnen Flügelteile zu bewirken.

Nicht zeichnerisch darstellbar ist die vom Stellungsmelder am Getriebe ausgehende Signalweitergabe über die jeweilige Flügelstellung an die Steuerelektronik der einzelnen Flügelservos. Statt einzelner Servo-Elektroniken können diese in einer Zentraleinheit zusammengefaßt werden, welche unmittelbar die einzelnen Servos synchron zum Hauptmotor mit vorgegebener Dreh-Amplitude ansteuert. Zur Realisierung vorbeschriebener Schwingflügeltechnik kann auf vorhandene und be­ währte Baugruppen der modernen Robotertechnik zurückgegriffen werden.

Claims (2)

1. Schwingflügler-Antrieb, bestehend aus einem Hauptmotor für die Auf- und Abwärtsbewegung von Flügeln wie beim Vogelflug und mehreren Servomotoren zum voneinander unabhängigem Verdrehen des linken und rechten Flügels oder Teilen von diesen, dadurch gekennzeichnet, daß am Hauptmotor bzw. dessen Getriebeausgang ein Drehwinkelstellungsmelder installiert ist, dessen Signale für die jeweilige Flügelstellung beim Auf- und Abwärtsschwingen an die Elektronik der Servomotoren weitergeleitet werden, wobei dort die Stellungssignale mit den Vorgabewerten für die auszuführende maximale Winkelverdrehung eines Flügelteils überlagert werden und die Auswertung dazu führt, daß die Flügelservos die mit dem Flügelschlag synchronisierte Flügeldrehbewegung ausführen.

2. Schwingflüglerantrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle einer für jeden Servoantrieb getrennten Elektronik mit einer zentralen Elek­ tronikeinheit gearbeitet wird, in der aus dem Stellungssignal des Hauptmotors u. a. abgeleitet wird, ob im Fall eines Elektroantriebs des Hauptmotors Spannung und Strom kräftig anzuheben sind, um dem Flügelabwärtsschlag mehr Kraft als beim Aufwärts-Zurückholen der Schwingflügel zu geben und in der aus dem Stellungssignal und den Vorgabewerten für die maximale Flügeldrehung für einen Teil der Schwingflügel die einzelnen Servos zeitlich und bezüglich Dynamik der Flügelverdrehung optimal angesteuert werden.