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Steuervorrichtung für die Flügel von Zykloidenpropellern Die Erfindung
betrifft eine Steuervorrichtung für die Flügel von Zykloidenpropellern. Bei den
Zykloidenpropellern wird die Größe und Richtung des Schubes der Flügel stetig geregelt,
wenn die Lage des Schnittpunktes der Normalen auf die Flügel im Flügelzapfen mit
der Normalen auf die Fahrtrichtung im Mittelpunkte des Flügelkreises geändert wird.
Der Schnittpunkt dieser Normalen. auf die Flügel liegt innerhalb oder außerhalb
bzw. für den einen Teil des Flügelkreises innerhalb und für den anderen Teil des
Flügelkreises außerhalb des Flügelkreises.
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Es ist bekannt, die angenäherte Steuerung oder Kinematik einer Kurbelschleife
ohne schwingende Gleitgelenke auszuführen. Das einfachste Beispiel ist die Sinuskinematik,
bei der die Flügel von einem Kurbeltrieb wie bei den Schaufelrädern gesteuert werden.
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Bekannt sind übereinandergelegene, formschlüssige Raumkurvenkörper
als Steuerorgane, die über Lenker von Gelenkparallelogrammen die Flügelschwingung
zu regeln haben. Naturgemäß können mehrere Raumkurvenkörper mit Gelenkparallelogrammen
niemals einen Steuerpunkt mit Kraftschluß zur Lenkung aller Flügel ergeben.
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Um die Mängel dieser Kinematik zu mildern, wurde schon vorgeschlagen,
die Flügelschwingung über schwingende Hebel von einer Bogenschubkurbel abzuleiten.
Bekannt ist auch ein Spezialfall einer Bogenschubkinematik, die sich aus dem »Storchschnabel«
der Getriebelehre ableitet, wobei ein Winkelhebel mit gleich langen Schenkeln; die
aufeinander senkrecht stehen, mit dem Schnittpunkt der Schenkel auf einem Kreisbogen
schwingt, dessen Radius ebenso lang ist wie die Schenkel des Winkelhebels. Das eine
Ende des Winkelhebels ist über eine Schubstange mit dem Flügelhebel gelenkig verbunden,
das andere Ende des Winkelhebels wird relativ auf einem Kreisring als Zwischenteil
geführt, dessen Mittelpunkt exzentrisch zum Radmittelpunkt des Flügelkreises liegt.
Der Mittelpunkt des Flügelkreises kann daher nicht direkt durch Verschiebungen die
Flügel steuern, sondern es muß mittels einer Synchronisiervorrichtung der Zwischenteil
als Ring synchron oder isochron mit der Drehzahl des Zykloidenpropellers angetrieben
werden. An dem von diesem Zwischenteil angetriebenen Ring wird erst jeder Flügel
für sich über die Hebel der Kinematik angelenkt. Bei einzelnen Varianten einer Kinematik
der Kurbelschleife ist es auch bekannt, eine Übersetzung der Schwingungen vorzunehmen,
so daß die abgeleiteten Amplituden der von den Flügeln ausgeführten Schwingungen
zur Erhöhung der Steigung größer sind als die ableitenden Schwingungen einer Kurbelschleife,
deren Kreisdurchmesser von einem allseits verschiebbaren Punkt -Steuerpunkt - in
Richtung und Größe gesteuert werden.
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Nach der Erfindung wird der Zusammenhang einer Kinematik angegeben,
von der man die grundsätzlichen Merkmale der Flügelschwingungen der bekannten Arten
der Kinematik auch ohne ein schwingendes Gleitgelenk nur durch die Änderung eines
Winkels der Reihe nach ableiten und mit der man mit oder ohne eine Synchronisierung
nur in einer Ebene ohne Staffelung der Getriebe arbeiten kann.
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Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen Zykloidenpropeller,
bei der zur Regelung der Richtung und der Größe des Propellerschubs ein Steuerelement
aus dem Mittelpunkt des Flügelkreises herausgeschoben und mit einer Exzentrizität
festgehalten wird und bei der jeder Flügel durch eine an einem Flügelhebel angreifende
Schubstange bewegt wird, die an dem einen Ende eines Winkelhebels angreift, und
ist dadurch gekennzeichnet, daß dieser Winkelhebel mit seinem anderen Ende am Steuerelement
gehalten wird und daß am Schnittpunkt der Schenkel des Winkelhebels, die einen Winkel
von mehr als 90° einschließen, ein Lenker angreift, der um einen auf dem rotierenden
Radboden des Flügelkreises festen Punkt schwingt.
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In der Zeichnung zeigt Fig. 1 das geometrische Verhältnis der wesentlichen
Wirkungen der einzelnen Arten der Kinematik und Fig. 2 gesondert die spezielle,
erfindungsgemäße Art. Die Flügel F bewegen sich auf dem Flügelkreis D um das Radmittel
O im Drehsinne (p. Der mit dem
Flügel fest verbundene Flügelhebel
H wird von einer Schubstange S um bestimmte Winkel um den Flügelschaft 6 hin und
her geschwungen. Die Schubstange S ist mit einem Ende 2 eines Winkelhebels o', 3,
2 gelenkig verbunden. Der Schnittpunkt 3 der Schenkel o', 3 und 3, 2 des Winkelhebels
o', 3, 2 wird mit einem Lenker L auf einem Kreisbogen mit dem Mittelpunkt 1 geführt,
der sich auf dem rotierenden Radboden des Flügelkreises D befindet. Der andere Endpunkt
ö des Winkelhebels wird relativ zum Flügelkreis auf einem Kreis d geführt. Dieser
Kreis d entsteht dadurch, daß der Steuerpunkt O" aus dem Mittelpunkt O des Flügelkreises
D herausgeschoben und mit einer Exzentrizität e festgehalten wird, so daß er auf
der um das Radmittel O sich drehend gedachten Zeichenebene und dem mitdrehenden
Flügelkreis D einen Kreis d beschreibt, somit relativ zum ruhenden
Flügelkreis D in entgegengesetztem Drehsinn -q synchron rotiert. Bekanntlich wird
durch die Lage des Steuerpunktes O" die Richtung und Größe des Propellerschubes
geregelt. Die Enden ö und 2 des Winkelhebels und der Drehpunkt 1 des angeschlossenen
Lenkers L liegen beispielsweise auf einem Kreis A, dessen Mittelpunkt 3 der Schnittpunkt
der Schenkel des Winkelhebels ist, wenn die Schenkel dieses Winkelhebels gleich
lang sind; dieser Punkt 3 ist das eine Ende der Stange L.
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Der Winkel & zwischen den Schenkeln des Winkelhebels o', 3, 2
sei in einem Beispiel für den Flügel F gleich 180°. Wie groß immer aber dieser Winkel
0 ist, stets ist die Strecke zwischen den Endpunkten o' und 2 des Winkelhebels die
Sehne o'-2 in einem Kreise A, und daher bleibt der Peripheriewinkel o', 1, 2, in
diesem Beispiel 90°, über dieser Sehne o'-2 des Winkelhebels konstant. Wird also
das Ende ö des Winkelhebels auf dem Kreis d geführt, dann schwingt die Gerade o
'-l um den Punkt 1 ebenso wie die Gerade 1-2 um denselben Punkt 1. Diese Schwingung
der Geraden ist die Schwingung einer Kurbelschleife. die von dem Kreis d und dem
Punkt 1 abgeleitet wird. Da somit jeweils die Gerade von Punkt 1 zu einem Punkt
des Kreises d eine Amplitude der Schwingung der Kurbelschleife ist, vollführt auch
die Gerade 1-2 dieselbe Schwingung, und es kann von dieser ableitenden Schwingung
der Kurbelschleife die Schwingung des Flügels abgeleitet werden. Dazu wird der andere
Endpunkt 2 des Winkelhebels mit der Schubstange S verbunden, die in der gezeichneten
Nullage, das ist, wenn O, o', O" zusammenfallen, auf der Geraden 1-2 senkrecht steht.
Wird der Punkt o' des einen Endes des Winkelhebels von 0 nach 180° geschoben, dann
verschiebt sich der Punkt 2 des anderen Endes des Winkelhebels von 0 nach 180° auf
der Geraden 1-2. Ist der Flügelhebel H nach der Zeichnung beispielsweise kleiner
als die Entfernung 1-2, dann erfolgt eine Vergrößerung der Flügelschwingung, um
die Steigung des Propellers zu erhöhen.
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Relativ zum Flügelkreis D, der mit der Zeichenebene in Ruhe gedacht
werden kann, beschreibt der eine Endpunkt ö des Winkelhebels o', 3, 2 den Steuerkreis
d und der andere Endpunkt 2 eine Koppelkurve K, die in dem Beispiel mit ü gleich
180° ellipsenförmig ist. Ist die Steigung des Propellers gleich Null, dann ist die
Exzentrizität e gleich Null, und die Koppelkurve ist der Punkt 2. Mit zunehmender
Steigung, also mit e größer als Null, löst sich Punkt 2 in eine stetig größer werdende
Ellipsenform auf. Je größer das Verhältnis des großen Durchmessers der Koppelkurve
zu ihrem kleinen Durchmesser ist, je kleiner also bei gegebener Exzentrizität e
die Schiebung 0 bis 180° auf der Koppelkurve ist, welche Schiebung die abgeleitete
Schwingung des Flügels verzerrt im Vergleich zur ableitenden Schwingung der Kurbelschleife
des Steuerkreises d ist, um so genauer ist die tatsächliche Schwingung des Flügels
mit oder ohne eine Übersetzung der Schwingung der Kurbelschleife, die bekanntlich
die Flügel derart steuert, daß sie in Leerlauf auf jedem Punkt des Flügelkreises
ohne Anströmwinkel eine genaue Zykloide im Wasser beschreiben.
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Ist der Winkel ü gleich 0°; dann liegt die bekannte Sinuskinematik
vor, wie die Figur in dem Beispiel für den Flügel F" zeigt. Der Winkelhebel wird
überflüssig, denn der Kreis d wird zur Koppelkurve und der Schenkel o'-3 zur Schubstange.
Nur eine Winkelübersetzung würde einen Lenker L als Bogenschubkurbel erfordern,
wie sich noch zeigen wird.
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Mit zunehmendem Winkel ü, bis zu dem bekannten Wert von 9 gleich 90°,
ist das Verhältnis der beiden Durchmesser der Koppelkurve noch klein, was noch keine
befriedigende Belastung der Flügel auf ihrem Wege rund um das Radmittel zur Folge
hat, weil die insbesondere bei hoher Steigung aus Festigkeitsgründen begrenzte Schwenkgeschwindigkeit
dar Flügel der rücklaufenden Radhälfte auf der vorlaufenden Radhälfte eine zu kleine
Belastung ergibt.
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Fällt die Richtung des einen Schenkels 3-2 des Winkelhebels, wie in
dem Beispiel für den Flügel F' gezeichnet, mit der Richtung des Lenkers 1-3 in der
Nullage zusammen, also nach Richtung 3-4, dann wird die Koppelkurve K' bei einer
sehr kleinen Schiebung 0 bis 180° ein Schwingungskreisbogen k durch Punkt 4 mit
dem Mittelpunkt 1, so daß bei diesem praktisch unendlich großen Verhältnis der Durchmessec
der Koppelkurve die größte Annäherung der abgeleiteten Flügelschwingung nach der
Schwingung einer Kurbelschleife eintritt, denn nur bei dieser ist die Schiebung
gleich Null und die Flügel bei jeder Steigung in den Punkten von 9 gleich Null und
180° des Flügelkreises parallel zur :Strömungsrichtung. Diese besondere Eigenschaft
der Koppelkurve bei auf einer Geraden liegenden Punkten 1-3-4 gilt auch allgemein
für andere Lagen des Punktes 1 des Lenkers 1-3, so daß der Winkel ü-o'-3-4 sich
um denselben Betrag zu ändern hat, wie der Winkel 0'-3-1 sich geändert hat. Diese
Kinematik nach dem Beispiel für den Flügel F' hat mit einer bekannten Kinematik;
bei welcher der Winkelhebel der Doppelhebel 1, 3, 4 ist, nichts zu tun, denn bei
dem Doppelhebel 1, 3, 4 ist der von Punkt 4 um Punkt 1 beschriebene Kreisbogen:
nur eine winkelgetreue Vergrößerung des Kreisbogens, der von Punkt 3 mit dem Lenker
1-3 um Punkt 1 beschrieben wird, so daß, wie früher angedeutet, eine gewöhnlilche
Übersetzung eines Kurbeltriebes mit den Merkmalen und Nachteilen der Sinuskinematik
vorliegt, nicht aber eine Kurbelschleife.
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Mit zunehmendem Winkel z9 von 90° an bis 180° ergeben sich besonders
günstige Verhältnisse. Zur klareren zeichnerischen Darstellung dieses Falles dient
Fig. 2. In .dieser ist wie in Fig. 1 O das Radmittel. D der Flügelkreis,
F der Flügel, H der Flügelhebel, S die Schubstange, R der Flügelkreisradius
N die Flügelnormale im Flügelschaft 6, o', 3, 2 der Winkelhebel, dessen gleich lange
Schenkel einen Winkel e größer als 90° einschließen. O" ist der Steuerpunkt, der
um die Exzentrizität e aus dem Flügelkreis:mittelpunkt O herausgeschoben ist. Nimmt
der Winkel t7 von 90 bis 180° zu, erfolgt wieder eine Verbreitung der Koppelkurve,
die jedoch im Vergleich
zu dem Winkel ü gleich 90° in der vorlaufenden
Radhälfte des Flügelkreises eine gewünschte stärkere Belastung des Flügels bewirkt
und die Schwenkgeschwindigkeit in der rücklaufenden Radhälfte, insbesondere bei
hoher Steigung, ermäßigt.
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Es ist somit bei einem Winkel 0 größer als 90° eine Verbesserung der
hydraulischen Wirkung der Flügel und der mechanischen Wirkung der Flügelsteuerung
eingetreten.
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In dem Bereich des Winkels 9 um 180° ergeben sich noch günstige Flügelschwingungen
aus den Koppelkurven. Mit weiter gegen 270° wachsendem Winkel , und bis 9 gleich
360° gleich 0°, nähern sich über schleifenförmige Koppelkurven die Flügelschwingungen
wieder der Sinuskinematik, und die vorlaufende Radhälfte erhält immer mehr eine
zu große und die rücklaufende Radhälfte eine zu kleine Flügelbelastung, wodurch
bei einer Exzentrizität e größer als Null ein Leerlauf der Flügel ohne Anströmwinkel
unmöglich ist.
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Die Fig. 1 zeigt auch für zulässige Abweichungen der Hebellängen und
Winkel. daß mit dem Winkel , auch dann die wesentlichen Merkmale aller Arten der
Kinematik mit den bekannten Vor- und Nachteilen ableitbar sind und daß sich erfindungsgemäß
bei einem Winkel 19 größer als 90° bis zu einem Bereich von 9 um 180° die günstigsten
Flügelschwingungen ergeben.
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Für den Winkel v gleich 180° ist beispielsweise für den Flügel F"
die Lage der Kinematik mit der Flügelnormalen N in einem Betriebszustande mit der
Exzentrizität e gezeichnet. Der Winkel zwischen N und R"' zeigt den von dem Flügel
im Punkt 6"' gebildeten Winkel der Flügelschwingung. Diese Flügelnormale N kann
nun im Rahmen der Erfindung die durch das Radmittel O gehende Normale, auf die Fahrtrichtung
innerhalb, auf oder außerhalb des Flügelkreises schneiden.
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Um mehrere Flügel F, F, F" usw. mit einer in gemeinsamer Ebene gelegenen
Kinematik aller Flügel anzutreiben, wurde schon vorgeschlagen, den Steuerpunkt in
einen Kreisring als Zwischenteil aufzulösen, der von einer Synchronisiervorrichtung
synchron oder isochron mit dem Flügelkreis D im Drehsinn f getrieben wird. Diese
Komplikation des Getriebes durch eine Synchronisiervorrichtunng ist aber ohne eine
Staffelung, und zwar besonders aus Raumgründen bei der erfindungsgemäßen Größe des
Winkels 9 nach dem weiteren Teil der Erfindung nicht nötig, wenn der Steuerpunkt
als Zapfen O" ausgebildet wird, den alle Enden o' der Winkelhebel umgreifen, und
wenn ferner der Zapfen von jedem Winkelschenkel o'-3 in ö derart von zwei Lagern
in einer Gabel umgriffen wird, daß die Entfernung der Lager von der Richtung der
durch den Steuerzapfen übertragenen Kraft gleich groß ist. Andernfalls würden ohne
Pendellager, für die jedoch oft der Platz fehlt, wie bei einem fliegenden Kurbeltrieb
in Gleitlagern Kantenpressungen auftreten, oder es würde eine Staffelung der einzelnen
Getriebe in verschiedenen Ebenen nötig werden. Bei der Anordnung des gemeinsamen
Zapfen O" für alle Flügel und besonders auch bei dem erfindungsgemäßen Winkel 0
können hingegen alle Flügelhebel H, Lenker und Schubstangen in gleichen Ebenen liegen,
wodurch die Bauhöhe des Rotors klein wird. Der Zapfen O" als gemeinsames Steuerorgan
kann in bekannter Weise von einer ruhenden oder frei drehbaren Steuersäule oder
von einem schwenkbaren Steuerknüppel bewegt werden, um mit der Exzentrizität e Richtung
und Größe des Propellerschubes zu regeln. Die Anordnung der Gelenke um den Steuerzapfen
O" in der Mitte des Propellerrotors erleichtert ihre Zugänglichkeit in einem kleinen
Raum, wodurch auch die Massenkräfte und Strömungswiderstände der Getriebeteile in
der Ölfüllung des Rotors verkleinert werden. Wie üblich, kann bei sich übergreifenden
Getriebeteilen <furch Kröpfungen ein Ausweg gefunden werden.
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Durch die erfindungsgemäße Kinematik wird erreicht, daß in einem zentral
gelegenen kleinen Raum kein schwingendes Gleitgelenk nötig ist, daß die Flügelschwingungen
mit größter Annäherung gleich oder übersetzt gleich den Schwingungen einer Kurbelschleife
sind und daß auch ohne eine Synchronisiervorrichtung .die Kinematik aller Flügel
ohne Staffelung in einer Ebene liegt.
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Einzelne dieser Vorteile werden wohl von der einen oder anderen bekannten
Kinematik erreicht, nicht aber alle Vorteile gemeinsam wie bei der erfindungsgemäßen
Kinematik und dies mit der kleinstmöglichen Anzahl von Gelenken.