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Flügelradpropeller mit relativ zum Radkörper isochron rotierenden
Flügeln Die als Voith-Schneisler-Propeller bekannten Zykloidenpropeller arbeiten
als Schnelläufer, d. h. die Umfangsgeschwindigkeit der Flügel auf dem von den Flügeln
beschriebenen Kreis ist in jedem Betriebszustand größer als die Fahrgeschwindigkeit.
Die Flügel des Schnelläufers beschreiben dabei im Betrieb eine verlängerte oder
verschlungene Zykloide und erfüllen die Bedingung, daß sich in der Draufsicht die
Normalen auf die Flügel (die Profilnormalen) in einem innerhalb des Flügelkreises
liegenden Punkt oder in einem Punktgebiet'schneiden. Die Steigung der Schnelläufer
D _ x, wo H = Fortschritt j e Radumdrehung und
D der Flügelkreisdurchmesser ist, kann bekanntlich durch Verschieben des Steuerzentrums
verändert werden, und zwar von Werten kleiner als z bis o, und durch Verschieben
des Steuerzentrums - durch o hindurch auf negative Werte von o bis - z, d. h. daß
bei gleicher Drehrichtung der Antriebsmaschine die Strömungsrichtung umgekehrt werden
kann.
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In dieser Möglichkeit des stoßfreien Reversierens liegt die wesentliche
Überlegenheit des Schnellläufers beispielsweise gegenüber dem ebenfalls bekannten
Mittelläufer (Kirstenpropeller), bei dem die Steigung stets unverändert gleich z
ist. Ein Reversieren ist beim Mittelläufer, dessen Flügel im schlupffreien Zustand
eine gemeine oder gestreckte Zykloide beschreiben, nur dadurch möglich, daß der
Normalenschnittpunkt auf dem Flügelkrüis entlang um z8o°
verdreht
wird. Hier müssen also zum Reversieren alle zwischen o und =8o° liegenden Ruderlagen
durchfahren werden, was nicht ohne seitlichen Stoß erreicht werden kann.
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Für die dritte Gruppe der Zykloidenpropeller, die Langsamläufer, deren
Flügel im schlupffreien Zustand eine verkürzte Zykloide beschreiben, ist bisher
überhaupt noch keine Möglichkeit angegeben worden, die Richtung der vom Propeller
erzeugten Strömung umzukehren, ohne die Antriebsmaschinen umzusteuern, es sei denn
durch Verdrehen wie beim Kirstenpropeller. Das beim Schnelläufer (Voith-Schneider-Propeller)
bekannte Mittel, nämlich das Verschieben des Normalenschnittpunktes in die Mitte
des Propellers und darüber hinaus nach der anderen Seite, ist beim Langsamläufer
nicht anwendbar, weil bei ihm der Normalenschnittpunkt stets außerhalb des Flügelrades
liegt und weil man sich beim Langsamläufer mit dem Normalenschnittpunkt dem Flügelkreis
und damit dem Steigungswert i von größeren Werten her nur in demselben Maße nähern
kann wie beim Schnelläufer von kleineren Werten. Es ist also beim Langsamläufer
mit Rücksicht auf das Ansteigen der Massenkräfte ebensowenig möglich, den Wert =
und kleinere Werte einzustellen wie beim Schnellläufer den Wert i und größere Werte.
Da somit beim Langsarnläufer der Normalenschnittpunkt überhaupt nicht in den Flügelkreis
hinein verschoben werden kann, ist es auch nicht möglich, ihn durch o hindurch auf
negative Steigungswerte zu bringen. Die Strömungsrichtung ist vielmehr durch Verschieben
des Steuerpunktes über -4- oo nach negativen Steigungswerten umzukehren.
Diese Erkenntnis wurde schon vor längerer Zeit gemacht, ohne daß bisher ein Weg
angegeben werden konnte, wie diese Umkehrung der Richtung des Leitpunktvektors verwirklicht
werden könnte. Die Erfindung zeigt, daß es möglich ist, diese Aufgabe zu lösen,
und gibt einen einfachen Lösungsweg an. Sie geht von der Tatsache aus, daß die Flügel
eines Langsamläufers im Betrieb eine isochrone Rotation ausführen. Die isochrone
Rotation kann z. B. dadurch erzeugt werden, daß eine synchrone Rotation, und zwar
eine volle Umdrehung der Flügel um ihre Achse während eines Umlaufes des Rades entgegengesetzt
zur Drehrichtung des Rades, und eine Schwingung einander überlagert werden. Die
Schwingung entspricht dabei grundsätzlich der Schwingung, die von den Flügeln eines
Schnelläufers ausgeführt wird. Die Stellung eines Flügels des Langsamläufers, der
um p von der tangentialen Ausgangsstellung entfernt ist, kann also etwa erreicht
werden durch eine Drehung des Flügels um cp° entgegen der Drehrichtung des Rades
und gleichzeitiges Ausschwenken des Flügels in der einen oder anderen Richtung um
einen bestimmten Betrag. In dieser Erkenntnis; daß für jeden Langsamläufer ein Schnelläufer
angegeben werden kann, der in den gleichen Flügelkreisstellungen die gleichen Schwingausschläge
seiner Flügel um die Tangente an den Flügelkreis aufweist, die einer synchronen
Rotation von Flügeln überlagert werden müssen, um die Flügelbewegung eines Langsamläufers
zu erhalten, und in der genauen Angabe des Verhältnisses, in dem die Steigung des
Schnelläufers zur Steigung des Langsamläufers steht, sowie in der Schlußfolgerung
für die Ausbildung der Steuervorrichtung des Langsamläufers, derart, daß dieser
bei gleichbleibender Drehrichtung die Strömungsrichtung umzukehren in der Lage ist,
besteht die Erfindung.
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Ein Flügelradpropeller in Langsamläuferausbildung, also mit während
des Betriebes relativ zum Radkörper isochron rotierenden Flügeln, ist nach der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß der Mechanismus zur Erzeugung der Schwingung derart
ausgebildet ist, daß sein Steuerzentrum in Durchmesserrichtung durch den Flügelkreismittelpunkt
hindurch verstellbar ist.
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Es ist zwar bereits vorgeschlagen worden, die Schaufelbewegung eines
für den Antrieb von Flugzeugen vorgesehenen Langsamläufers dadurch zu erzeugen,
daß einer durch ein Rädergetriebe bewirkten gleichmäßigen Rotation der Schaufeln
eine Schwingung überlagert wird. Nach diesem Vorschlag ist die Schwingung jedoch
nur derart steuerbar, daß die Steigung des Langsamläufers von Werten größer als
r bis oo verändert werden kann. Die oben angegebenen Erkenntnisse über die Zusammenhänge
zwischen der die Schwingung erzeugenden Kinematik und der Steuerbarkeit des Langsamläufers
fehlen dieser Veröffentlichung, weshalb auch die dort vorgesehene Kinematik zur
Erzeugung der Schwingungen nicht so ausgebildet ist, daß ihr. Steuerzentrum durch
den Radmittelpunkt hindurch verschoben werden und damit die Strömungsrichtung umgekehrt
werden könnte. Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung weiter erläutert,
und außerdem ist eine in ihren grundsätzlichen Merkmalen dargestellte Ausführungsmöglichkeit
beschrieben.
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In Abb. x ist der Flügelkreis K eines Zykloidenpropellers mit außerhalb
des Flügelkreises liegendem Normalenschnittpunkt NL, also eines Langsamläufers
mit sechs Flügeln Fr bis F, dargestellt. Die Drehrichtung ist durch den Pfeil P
und die Achse des Propellers durch den Mittelpunkt 0 bezeichnet. Die Flügel erfüllen
das Gesetz, daß sich die auf den Flügeln in den Flügeldrehachsen errichteten Normalen
f1 bis f6 in dem auf der Verlängerung des Querdurchmessers liegenden Punkt
NL schneiden. Würden die Flügel, von der tangentialen Stellung im Kreispunkt
9p = o° ausgehend, eine zur Umlaufgeschwindigkeit um den Radmittelpunkt synchrone,
aber entgegengesetzt gerichtete Rotation ausführen, dann würden die Flügel die strichpunktiert
eingezeichneten Stellungen einnehmen. Die Abbildung zeigt, daß die Flügel, die bei
dieser synchronen Rotation in allen Stellungen parallel zur Fahrtrichtung bleiben,
z. B. in der Stellung 99 - 6o° zur Tangente an den Kreis einen Winkel von
6o°, bei T = =2o° einen Winkel von =2o° einschließen usw. Die richtigen Schaufelstellungen
F, bis F, ergeben sich aus der gedachten, strichpunktiert gezeichneten, in der vorderen
(oberen) Radhälfte durch Zurückdrehen und in der hinteren (unteren) Radhälfte durch
Weiterdrehen um einen veränderlichen Betrag E. Da nach obigem die Schwingung der
Flügel des Langsamläufers um eine zur
Fahrtrichtung parallel bleibende
Gerade genau der Schwingung entspricht, welche die Flügel eines Schnelläufers um
die umlaufende Tangente an den Kreis ausführen, ist nun zu ermitteln, welche Steigung
dieser Schnelläufer haben müßte, um beispielsweise an der Umfangstelle p
- 6o° den gleichen Schwingwinkel e zu erzeugen.
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Zur Ermittlung dieser Steigung wird von der Tatsache ausgegangen,
daß der Schwingwinkel eines Schnelläuferflügels an allen Stellen des Flügelkreises
gleich ist dem Winkel, den die Flügelnormale mit dem Radius durch die Flügeldrehachse
einschließt. Es wird daher in Abb. 2 an den Radius y durch die Flügelachse des Flügels
F2 der Winkel s angetragen und der Schnittpunkt NS der Flügelnormalen fs
mit dem Querdurchmesser und damit die Steigung a ermittelt, die diejenige Schnelläuferkinematik
haben muß, die dieselbe Schwingung erzeugt, wie sie der synchronen, der Propellerdrehrichtung
entgegengerichteten, aber winkelgeschwindigkeitsgleichen Rotation eines Flügels
überlagert werden muß, um die isochrone Rotation der Flügel eines Langsamläufers
mit der Steigung A zu erhalten. In Abb. 2 ist zum Vergleich und zur Erleichterung
des Verständnisses die Flügelstellung eines entsprechenden Schnelläufers bei p =
6o° punktiert eingezeichnet und, dünn ausgezogen, die Tangente an den Kreis in diesem
Punkt. Tangente und Flügel schließen den Winkel e miteinander ein. Wie ersichtlich,
tritt der Winkel e auch bei NL zwischen der Normalen des Langsamläuferflügels
F2 und der Querdurchmesserrichtung auf, woraus zu entnehmen ist, daß die Normalen
auf die Flügel des Langsamläufers dieselbe Schwingung um die Querdurchnxesserrichtung
ausführen wie die Flügel selbst um eine Richtung senkrecht dazu. Es zeigt sich,
daß die beiden durch fL, A und y einerseits und f s, y und a andererseits
gebildeten Dreiecke ähnlich sind, da sie einen gemeinsamen und einen gleichen Winkel
haben. Aus dieser .Ähnlichkeit der Dreiecke läßt sich folgende Beziehung ableiten:
A:y = y: a oder a-A = r2, oder in Worten: Die Entfernung des
Flügelnormalenschnittpunktes NS des Schnelläufers innerhalb des Flügelkreises K
von dessen Mittelpunkt o multipliziert mit der Entfernung des Schaufelnormalenschnittpunktes
NL des Langsamläufers ist gleich dem Quadrat des Schaufelkreisradius. In
gleicher Weise läßt sich aus den Geschwindigkeitsdreiecken ableiten, daß das Produkt
der Fahrgeschwindigkeit v des Schnelläufers und der Fahrgeschwindigkeit V des Langsamläufers
gleich ist dem Quadrate derUmfängsgeschwindigkeitu, also v - V = u2. Diese Überlegung
zeigt auch, daß bei gleicher Umfangsgeschwindigkeit eines Langsamläufers und eines
mit ihm zu vergleichenden Schnellläufers dem Langsamläufer die größere Geschwindigkeit
zukommt. ` Die Diskussion dieser Formeln ergibt, daß einem positiven a ein
positives A und einem negativen a ein negatives A zugeordnet sein muß und
daß einem Wert von a = o ein Wert für A von -4- oo entspricht.
Durch Verändern von a von positiven Werten über o nach negativen kann demnach die
Steigung A von positiven Werten über- ± oo nach negativen Werten verändert werden.
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Diese einen wesentlichen Bestandteil der Erfindung bildende Erkenntnis
zeigt also, daß durch Verschieben des Steuerzentrums der die Schwingungskomponente
der isochronen Flügelrotation des Langsamläufers erzeugenden Vorrichtung über o
hinaus der Langsamläufer seine Strömungsrichtung umkehren kann, und zwar durch Verändern
der Steigung über + und - oo nach negativen Steigungswerten. Gemäß dieser neuen
technischen Lehre muß also der die Schwingung bzw. den Schwingungsanteil der isochronen
Rotation der Flügel des Langsamläufers erzeugende Mechanismus so ausgebildet sein,
daß sein Steuerzentrum über o hinaus verschoben werden kann, und zwar zweckmäßig
um den gleichen oder einen etwas kleineren Betrag, um den es auch in der anderen
Richtung verschoben werden kann.
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Mit einem so ausgebildeten Propeller kann die Steigung demnach nicht
nur beliebig zwischen etwa i und oo verändert, also mit beliebig großer Steigung
gefahren werden, eine Möglichkeit, die. dem Schnellläufer und dem Mittelläufer fehlt,
sondern es kann auch die Fahrtrichtung (Strömungsrichtung) des Propellers durch
Verschieben des Steuerzentrums umgekehrt werden, und zwar in gleicher Weise ohne
Umsteuerung der Antriebsmaschine und stoßfrei wie beim Schnelläufer. Bei größer
werdender Steigung wird die der synchronen Rotation überlagerte Schwingung in ihrem
Ausschlag immer kleiner, bis schließlich bei der Steigung oo die Schwingung zu o
wird und die Flügel eine rein synchrone Rotation ausführen; da sich hierbei die
Flügel bei jeder Radumdrehung einmal entgegen der Drehrichtung des Rades um ihre
Achse drehen, bleiben sie in ihrer parallelen Lage zum Längsdurchmesser des Propellers
liegen, ohne einen Vorschub zu erzeugen, d. h. daß das mit dem Propeller ausgerüstete
Schiff bei laufendem Propeller mit der Steigung oo stillstehen kann, um dann bei
weiterem Verschieben des Zentrums des die Schwingung erzeugenden Mechanismus in
der anderen Richtung angetrieben zu werden.
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Bei einer positiven Steigung (NL links in Abb. 2) hat die vom
Propeller erzeugte Strömung die Richtung v, während sich nach dem Reversieren über
:L oo die Strömungsrichtung vo ergibt. Bei Rückwärtsfahrt entspricht einer beliebigen
Steigung A =ONLO nach obigem Gesetz eine Steigung a =ONso. Es zeigt
sich, daß hierbei die Ein- und Austrittskanten der Schaufeln wechseln. Diese Erscheinung
ist für einen Propeller, der nur gelegentlich für kürzere Strecken rückwärts zu
treiben hat, unbeachtlich. Für Propeller jedoch, die sehr häufig die Fahrtrichtung
auf längere Zeit vertauschen müssen oder bei denen auch für Rückwärtsfahrt auf einen
besonders hohen Wirkungsgrad Wert gelegt wird, müssen daher die Flügelprofile nicht
nur den zweckmäßigsten Verlauf ihrer Mittellinie aufweisen, sondern sie sind außerdem
auch in der Materialverteilung für beide Antriebsrichtungen angenähert symmetrisch
auszuführen, also etwa mit Sichelprofilen, wie dies bei Schraubenpropellern oder
auch bei Mittelläuferzykloidenpropellern bekannt ist.
Es ist bei
Schnelläuferzykloidenprop; llern auch bekannt, in die Übertragung der Schwingung
von dem die Schwingung erzeugenden Mechanismus zu den Flügeln eine Übersetzung einzuschalten,
derart, daß die von den Flügeln ausgeführte Schwingung größer ist als die ableitende
Schwingung. Man bezweckt hiermit eine Vergrößerung der Steigung des Propellers und
eine Verlagerung der Stelle des größten Flügelausschlages auf den Flügelkreis. Im
Gegensatz zum Schnelläufer, dessen Steigung durch eine solche Übersetzung im Durchschnitt
höchstens dem Wert i genähert werden kann, besteht aber beim Langsarizläufer (mit
seiner zwischen -#- i und :j- eo veränderlichen Steigung) im allgemeinen nicht der
Wunsch zu einer beliebigen Vergrößerung der Steigung, da diese unter allen Umständen
sowieso größer als -#- i ist, sondern es empfiehlt sich in weiterer Ausbildung der
Erfindung zwischen dem die Schwingung ableitenden Mechanismus und den Flügeln eine
Übersetzung zur Vergrößerung der Schwingung einzuschalten, da die Steigung des Langsamläufers
umgekehrt proportional der Größe der Schwingung, also die Steigung um so kleiner
ist, je größer der Schwingungsausschlag der Flügel. Diese Übersetzung zwischen ableitender
Schwingung und abgeleitetem Schwingungsanteil der isochronen Flügelrotation gibt
die Möglichkeit, die ableitende Schwingung und damit auch die Massenkräfte der ableitenden
Kinematik sehr klein zu halten.
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Außer der näher beschriebenen Möglichkeit der Erzeugung der isochronen-
Flügelrotation durch Überlagerung einer zur Drehung des Propellers synchronen, aber
entgegengesetzt gerichteten Rotation und einer der Schwingung der Flügel eines Schnelläufers
um die Tangente an den Flügelkreis entsprechenden Schwingung besteht in an sich
bekannter Weise auch noch die Möglichkeit, eine sonst gleichartige Schwingung mit
beliebig kleinerem oder erforderlichenfalls größerem Schwingungsausschlag .einer
in ihrer Winkelgeschwindigkeit im selben Verhältnis verkleinerten bzw. vergrößerten
Rotation zu überlagern und diese kombinierte Drehbewegung durch beliebige Übersetzungsmittel,
wie Zahnräder od. dgl., mit entsprechender Übersetzung auf das richtige Maß zu über-bzw.
untersetzen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb.3 treibt eine Antriebsmaschine
über die Welle i und die Kegelräder 2 und 3 den Radkörper q. an, der über eine geeignete
Tragkonstruktion -und ein Spurlager 5 im Schiffskörper 6 abgestützt ist. Im Radkörper
ist für jeden Flügel? ein Drehservomotor 8 und ein Drehservomotor g ang;3ordnet.
Der Zylinder io des Drehservomotors 8 ist im Radkörper drehbar gelagert und wird
über das mittels einer Welle ii nach außen abgestützte Zahnrad 12, das Umkehrrad
13 und das mit dem Zylinder 1o starr verbundene Zahnrad 14 angetrieben. Die drei
Zahnräder sind gleich groß, so daß bei einer Umdrehung des Propellers der Zylinder
io mit gleicher Winkelgeschwindigkeit wie der Propeller entgegen der Drehrichtung
gedreht wird. In diesem Zylinder io des Drehservomotors 8 ist ein Drehkolben 15
gelagert, der mit dem Flügel 7 verbunden ist. Der Drehkolben 15 macht die synchrone
Drehbewegung des Zylinders mit, sofern er nicht durch Zuführen von Drucköl auf seine
eine oder andere Seite relativ zum Zylinder verstellt wird.
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Diese Verstellung wird durch die Drehservomotoren g bewirkt, deren
Zylinder 16 fest mit dem Radkörper verbunden sind, während ihre Drehkolben 17 mittels
eines Zapfens 18 nach außen ragen und durch .eine Kinematik zu einer schwingenden
Bewegung gezwungen werden. Die Kinematik besteht aus einem mit dem Zapfen 18 verbundenen
Hebel ig, einem an diesem angdenkten Hebel 2o und einem Doppelhebel - 21, dessen
gegabeltes Ende 22 um einen relativ zum Radkörper normalerweise feststehenden Zapfen
23 herumgreift. Der Doppelhebel 21 ist mittels eines Zapfens 24 drehbar im Radkörper
gelagert.
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Bei der Drehung des Propellers um seine Achse 25 wird dem Drehkolben
17 durch die Kinematik ig bis 23 in gleicher Weise wie den Flügeln eines mit gleicher
Kinematik ausgerüsteten Schnelläufers eine schwingende Bewegung aufgedrückt. Durch
diese Schwingung der Drehkolben 17 wird wechselweise der einen oder anderen Seite
der Drehkolben 15 in den Zylindern io durch die Leitungen 26 Drucköl zugeführt,
wodurch die Drehkolben 15 relativ zu ihren Zylindern verstellt werden. In dieser
Weise werden auf rein hydraulischem Wege die Schwingkomponente und die getrennt
erzeugte Drehkomponente zur isochronen Rotation zusammengefaßt, die die Flügel auszuführen
haben.
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In gleicher Weise könnte die Überlagerung einer Schwingung und einer
synchronen Rotation zu einer isochronen Rotation auch auf rein mechanischem oder
teils mechanischem, teils hydraulischem Wege vorgenommen werden.
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Um die bei hydraulischen Servomotoren unvermeidlichen Leckverluste
auszugleichen, können an sich bekannte hydraulische Synchronisierungsmaßnahmen getroffen
werden.
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Zur Regelung der Größe der der synchronen Rotation zu überlagernden
Schwingung und damit der Propellersteigung selbst auf beliebige positive oder negative
Werte, -um also mit voller Steigung oder beliebiger kleinerer Steigung voraus- oder
zurückzufahren, wird der Zapfen 23 etwa mittels einer doppelgriffigen Kurbe127 in
Durchmesserrichtung verschoben. Der Zapfen 23 ist hierzu mittels eines Schlittens
28 in einer Nut 29 geführt, die von einem über die Welle ii mit dem .Zahnrad 12
verbundenen Teil 3o gebildet wird.
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Beim Verschieben der Kurbel 27 in Durchmesserrichtung wird
lediglich die Größe der Schwingung und damit das Maß der Steigung des Langsamläufers
beeinflußt. Die Nut 29 und das Zahnrad 12 bleiben hierbei relativ zum Schiffskörper
in Ruhe. Wird die Kurbel 27 jedoch bei irgendeiner beliebigen Relativlage
zur Nut 29 gedreht, so wird dadurch über den Zapfen 23 und den Schlitten 28 der
Teil 30 und über die Welle ii das Zahnrad 12 relativ zum Radkörper verdreht.
Dies ist gleichbedeutend mit einer Richtungsänderung des erzeugten Propellerstrahles
und entspricht damit dem Rudervorgang. Die Kurbel 27
hat dabei also die Funktion
des Fahrthebels und des Ruderrades.
In Abb. q ist die Kinematik
zur Ableitung der Schwingkomponente schematisch in Draufsicht dargestellt. Wie hieraus
ersichtlich, ist der Hebe12i länger als der Hebel =g, wodurch sich eine Übersetzung
des Schwingungsausschlages ergibt. Außerdem kann eine Unsymmetrie zwischen vorderer
und hinterer Radhälfte dadurch herbeigeführt werden, daß die Hebel =g, 2o und 21
in ihrer Länge derart gewählt werden, daß die Hebel =g, und 21 in der Nulllage des
Zapfens 23, in der die Achse des Zapfens 23 und die Achse des Propellers zusammenfallen,
nicht parallel zueinander liegen.