DE2755442A1

DE2755442A1 - Vorrichtung zur lagerung von rudern und woelbungsklappen von flugzeugen und wasserfahrzeugen

Info

Publication number: DE2755442A1
Application number: DE19772755442
Authority: DE
Inventors: Richard Prof Dr Eppler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-12-13
Filing date: 1977-12-13
Publication date: 1979-06-21
Also published as: DE2755442C2; US4230295A

Description

Vorrichtung zur Lagerung von Rudern und Wölbungsklappen von Flugzeugen und Wasserfahrzeugen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lagerung von Rudern und Wölbungsklappen von Flugzeugen und Wasserfahrzeugen mit einer Abdeckung des zwischen Ruder und zugehöriger Flosse bzw. FlUgel bestehenden Spaltes, die tangential an Flosse und Ruder anschließt.

Zur Vereinfachung wird im folgenden nur von der Lagerung eines Ruders in einer Ruderflosse gesprochen, wobei als Leitwerk die Gesamtheit von Ruder und Flosse bezeichnet wird. Für die Lagerung von Querrudern und Wölbungsklappen im Flügel eines Flugzeuges oder Tragflügelbootes, für welche die Erfindung besonders geeignet ist, gilt sinngemäß das gleiche.

Bei einer bekannten Ausführung einer solchen Vorrichtung zur

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Lagerung von Rudern ist das Ruder um eine feste Achse der Flosse drehbar gelagert. Der dabei entstehende Spalt zwischen Ruder und Flosse wird ohne zusätzliche Vorrichtung von Luft durchströmt, was sehr viel schädlichen Widerstand mit sich bringt und die Ruderwirksamkeit vermindert. Aufgrund dieser bekannten Tatsache wird der Spalt bei leistungsfähigen Flugzeugen häufig mit einem weichen luftdichten Band verklebt. Dies bringt schon nachweislich Vorteile, ist aber immer noch eine sehr unbefriedigende Lösung, da das aufgeklebte Band immer Ecken und Falten bilden muß, wenn sich das Ruder bewegt. Da die Abdecklänge

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bei verschiedenen Ruderstellungen unterschiedlich ist, muß das Abdeckband in der untersten Ruderstellung gerade straff sein, wobei in der Außenkontur Ecken entstehen. In der nicht ausgeschlagenen Stellung wirft das Band schon Falten, die sich in der nach oben ausgeschlagenen Stellung noch verstärken. Es ist auch bekannt, die Ruderdrehachse genau in der Flügel obersei te anzuordnen, vgl. DT-PS 424 064. Das Abdeckband kann dann ohne große Falten die entstehende scharfe Kante zwischen Ruder und Flosse überdecken. Nachteilig ist jedoch, daß die Lagerung, die nicht über die ganze Länge des Ruders geht, sondern auf einzelne Stellen beschränkt bleibt, über die Kontur hinausragt.Dort, und an der bei Ruderausschlag vorhandenen scharfen Kante entstehen immer noch schädlicher Widerstand und verminderte Ruderwirksamkeit, bei Wasserfahrzeugen erhöhte Kavitationsgefahr.

Eine andere Anordnung gemäß der DT-PS 386 926 sieht deshalb eine Abdeckung des Ruderspaltes mit Hilfe von speziellen Blechstreifen vor, die gelenkig in der Oberfläche der Flosse gelagert sind und federnd auf das Ruder gedrückt werden, auf welchem sie dann bei einem Ruderausschlag gleiten. Dabei werden die störenden Kanten der Anordnung verringert, aber nicht beseitigt, während die Kräfte zur Bewegung der Ruder infolge der entstehenden Gleitreibungskräfte zu hoch werden. Entsprechendes gilt für die Anordnung gemäß FR-PS 524 814. Dort haben die Abdeck-Streifen Schlitze, in weiche am Ruder angebrachte Führungsvorrichtungen eingreifen.

Bei einer anderen aerodynamisch und bezüglich Kavitation günstigen Anordnung nach der DT-PS 386 926 wird eine Flügel-Außen-

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haut aus Metall vorausgesetzt, die ohne Schlitz auf beiden Seiten in die Außenhaut des Ruders übergeht. Bei einem Ausschlag muß dann die gesamte Außenhaut des Ruders auf diesem gleiten, was wieder viel zu große Kräfte in der Steuerung verursacht.

Schließlich ist schon seit Jahrzehnten immer wieder versucht worden, vor allem bei Segelflugzeugen, die Flossen bzw. Flügeloberseite durchgehend elastisch auszubilden und den hinteren Teil des Leitwerks elastisch zu verformen, wobei nur bei der Unterseite ein Spalt entsteht. Allen diesen Lösungen gemeinsam war die Tatsache, daß infolge der am verformbaren Flossenteil auftretenden Luftkräfte und -momente die elastische Flossenoberseite starke Druckkräfte übertragen mußte. Dadurch mußte sie entsprechend stark gestaltet werden und erforderte hohe Kräfte zur Verformung. Aus diesem Grund hat sich bisher keine solche Lösung durchgesetzt.

Es ist auch eine Vorrichtung bekannt, bei der das Ruder so

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gelagert wird, daß die Abdeckung des Schlitzes elastisch, also ohne Ecken und Falten, erfolgen kann, ohne daß jedoch diese Abdeckung zur übertragung von Kräften herangezogen werden muß. (Deutsche Patentanmeldung P 21 14 459.2-22) Dabei wird durch eine Lagervorrichtung das Ruder so geführt, daß die Abdeckung bei jeder Ruderstellung gleiche Länge s und über diese Länge annähernd konstante Krümmung haben kann. Der Querschnitt durch die Abdeckung soll immer annähernd ein Kreisbogen bzw. ein Geradenstück konstanter Länge sein. Die Abdeckung muß dabei nur ihre eigene Form einhalten, wobei sie in Ruder und Flosse verklebt sein darf. Sie muß außer den Kräften, die sie in ihrer 90982S/00A9

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eigenen Form halten, keinerlei andere Kräfte übertragen. Dadurch kann sie sehr dünn ausgeführt werden, und es sind keine wesentlichen Kräfte erforderlich, um sie zu verformen.

Eine Bewegung des Ruders, die dieser Forderung in einer idealen Weise entsprechen würde, kann dadurch beschrieben und auch sehr einfach formelmäßig erfaßt werden, daß die Abdeckung tangential in Flosse und Ruder übergehen und bei gleicher Länge s jeweils exakt konstante Krümmung über diese Länge haben soll. Für diese Idealbewegung kann man mit bekannten Methoden den sog. Momentanpol der Bewegung in jeder Stellung berechnen (vgl. W. Wunderlich, Ebene Kinematik, Mannheim 1970, S. 16-19.) Auf diese Weise kann man die sog. Polbahn (Gangpolkurve) und die sog. Spurbahn (Rastpolkurve) der Idealbewegung finden. Diese Linien zeigen, daß die Idealbewegung sehr genau, aber nicht exakt dadurch beschrieben werden kann, daß man sich vorstellt, sowohl mit dem Ruder, als auch mit der Flosse sind Kreisscheiben vom Radius -j s verbunden, die sich im nicht ausgeschlagenen Zustand (NuIlage) in der Mitte der Abdeckung mit zu ihr senkrechter Tangente berühren und bei der Bewegung des Ruders aufeinander abrollen. Insbesondere liegt der Momentanpol der Bewegung für die NuIlage in der Mitte der Abdeckung.

Darüber hinaus kann man die Bahn jedes Ruderpunktes bei der Idealbewegung leicht berechnen, sie wird mit Idealbahn des Ruderpunktes bezeichnet. Sie ist keine Kreisbahn, ebenso wie beispielsweise die Bahn eines Punktes des auf einer Ebene abrollenden Rades keine Kreisbahn, sondern eine sog. Zykloide

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ist. Jeweils ein Punkt P der Ideal bahn entspricht der Nullage des Ruders, gibt also einfach die Lage des ausgewählten Ruderpunktes in der Nullage bzw. in nicht ausgeschlagenen Zustand des Ruders an. In der Umgebung dieses Punktes kann man die Idealbahn annähern durch eine Kurve, weiche dort die gleiche Tangente und die gleiche Krümmung besitzt wie die Ideal bahn. Die Tangente ist durch das Lot auf der Verbindungslinie zum Momentanpol gegeben, der In der Nullage also in der Mitte der Abdeckung liegt. Die Krümmung k einer Bahn in einem Punkt P derselben kann mit bekannten Methoden (vgl. z.B. Bronstein-Semendjajew, Taschenbuch der Mathematik, Frankfurt 1969, S. 205) berechnet werden. Die Krünmung k wird veranschaulicht durch ihren Reziprokwert, den Krümmungsradius R Der Krümmungskreis, der den Radius R besitzt und die Bahn in P berührt, nähert die Bahn in der Umgebung von P von 2. Ordnung an. Bei genügend glatter Bahn ist die Abweichung zwischen der Bahn und dem Krümmungskreis proportional zur 3. Potenz des Abstandes von P . Wenn der ausgewählte Punkt des Ruders vom Endpunkt B der Abdeckung um y nach unten und um χ in Richtung Flosse versetzt ist, dann gilt für den Krümmungsradius R der Idealbahn in dem der Nullage entsprechenden Punkt P

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Die gleiche Formel gilt Tür die Relativbewegung eines Flossenpunktes zum in Ruhe gedachten Ruder. Dabei wird lediglich y vom Endpunkt A der Abdeckung in Richtung Ruder gemessen.

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Eine Vorrichtung, mit welcher die Idealbewegung gut angenähert werden kann, ist in der deutschen Patentanmeldung P 21 14 459.2-22 beschrieben. Gemäß dieser Erfindung wird das Ruder mit Hilfe eines sog. Viergelenkbogens so gelagert, daß sich zwei Ruderpunkte auf dem oben definierten Krümmungskreis ihrer Idealbahn bewegen. Ein Teil dieses Viergelenkbogens ragt jedoch über die elastische Abdeckung hinaus, so daß diese an den Lagerungsstellen unterbrochen werden muß. Das entstehende Loch wird mit einer aus Gummi hergestellten Hutze abgedeckt, die wieder Luftwiderstand hat. Außerdem müssen zwei Lagerpunkte des Viergelenkbogens dicht beieinander liegen, was bei der konstruktiven Ausführung dieser Lösung Schwierigkeiten bringt.

Aufgabe der hier beschriebenen Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Lagerungs-Vorrichtung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß diese vollständig unterhalb der elastischen Abdeckung liegt und die oben beschriebene Ideal bewegung gleich gut annähert wie der Viergelenkbogen der DPA, 21 14 459.2-22. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches gelöst. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung entstehen nicht nur weitere aerodynamische Vorteile, es wird auch ein vereinfachter Fertigungsablauf möglich, indem man beispielsweise Flosse und Ruder in einem Arbeitsgang und mit durchgehender Außenhaut herstellt. Zudem wird der genaue Einbau der Lagervorrichtung erleichtert, da einfache sog. Bezugspunkte verfügbar sind. An der Vorrichtung selbst sind keine dicht nebeneinander liegenden Lagerstellen erforderlich.

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Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben und erläutert, welches in der Zeichnung dargestellt ist.

Es zeigen:

Fig. 1 die Vorrichtung zur Lagerung eines Ruders in seiner nicht ausgeschlagenen Stellung (NuIlage)

Fig. 2 das nach oben
und
Fig. 3 das nach unten geschwenkte Ruder.

Die Abdeck-Membran 3 hat im Ruderquerschnitt die Länge s . Ihre Enden A und B sind die genauen Bezugspunkte für den Einbau der Lager-Vorrichtung. Die Mitte der Abdeckmembran wird in der NuIlage mit M bezeichnet.

Die erfindungsgemäße Lager-Vorrichtung besteht aus vier Hebeln 4-7, die in sieben Lagerstellen 8-14 ineinander sowie in Flosse und Ruder 1 gelagert sind. Dabei wird das Lager 14 des Hebels 6 im Ruder 1 mit Hilfe des sog. Viergelenkbogens 8-9-10-12, an dem die Hebel 4,5 und 6 beteiligt sind, auf einer festen Bahn geführt, während der Hebel 7 nur hoch die Drehung des Ruders um den Punkt 14 steuert. Umgekehrt kann man sich auch das Ruder festgehalten denken und die Bewegung der Flosse relativ zum Ruder betrachten. Bei dieser Betrachtung wird das Lager 10 der Flosse 2 durch den Viergelenkbogen 11-12-13-14 mit den Hebeln 5,6 und 7 auf einer festen Bahn 22 relativ zum Ruder 1 geführt, während der Hebel 4 die Drehung um das Lager 10 steuert.

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Mit dieser Anordnung kann man nun die beschriebene Ideal bewegung sehr gut annähern. Dies wird erreicht, indem man einerseits dafür sorgt, daß der Momentanpol der Bewegung des Ruders und der Relativbewegung der Flosse gegen das Ruder in der NuIlage im Mittelpunkt M der Abdeckung liegt. Dies verlangt lediglich, daß die durch die Punktepaare 8-9, 10-12 und M-14 definierten Geraden 15,16 und 17 sich in einem gemeinsamen Punkt schneiden, der, wie im Ausführungsbeispiel, auch im Unendlichen liegen kann. Die Geraden sind dann parallel zu einander. Das gleiche gilt für die Geraden 18,19 und 20 durch die Punktepaare M-IO, 11-13 und 12-14, die sich im Ausführungsbeispiel Fig. 1 in einem im Endlichen, aber außerhalb der Figur liegenden gemeinsamen Punkt schneiden.

Anderseits muß man noch dafür sorgen, daß die Bahn 21 des Lagers 14 im Ruder 1 bei seiner Bewegung und die Bahn 22 des Lagers 10 der Flosse 2 bei seiner Relativ-Bewegung zum Ruder jeweils in den der Nullage entsprechenden Punkten die gleiche Krümmung haben wie Idealbahnen. Dies kann ereicht werden, indem man_; beispielsweise durch geeignete Wahl der Längen der Hebel 4 und 7, die Krümmungsradien der Bahnen 21 und gleich groß macht wie diejenigen der entsprechenden Idealbahnen.

Diese Festlegungen lassen noch viel Spielraum frei. Insbesondere wird nicht verlangt, daß die Lager 10, 11, 12 sowie 9, 12, 14 auf einer Geraden liegen. Damit kann man die gesamte Vorrichtung den jeweiligen Platzverhältnissen so anpassen, daß auch die Schwenkungen aller Hebel möglich sind.

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Die Figuren 2 und 3 zeigen die ausgeschwenkten Stellungen des AusfUhrungsbeispiels von Fig. 1 .

Eine besonders einfache Möglichkeit zur Festlegung der gesamten Konfiguration besteht darin, daß man einen der beiden Viergelenkbogen als Parallelogrammführung ausbildet. Ein Ausführungsbeispiel dieser Art ist in Fig. 4 dargestellt. Der Viergelenkbogen 11-12-13-14 ist nun parallelogrammförmig. Damit bewegt sich das Lager 10 relativ zum Ruder auf einem Kreis vom Radius 11-13 bzw. 12-14 . Man muß also nur diese Längen gleich dem erforderlichen Krümmungsradius R (vgl. S. 5) machen und dafür sorgen, daß die zugehörigen Hebel 6 und 7 in der NuIlage parallel zu 10-M sind.

Das Ausführungsbeispiel Fig. 4 enthält noch eine weitere Vereinfachung. Die zweite Krümmungsbedingung, die verlangt, daß auch die Bahn des Lagerpunktes 14 des Ruders 1 die gleiche Krümmung hat wie seine Idealbahn, ist hier nicht erfüllt worden. Die so entstehende Lagervorrichtung nähert die Idealbewegung so gut an, daß diese für viele Zwecke noch ausreicht. Es kommt vornehmlich darauf an, daß die Abstände der Punkte A und B in der Umgebung der NuIlage genau eingehalten werden. Bei größeren Ausschlägen kann die elastische Abdeckung

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infolge ihrer Wölbung Ungenauigkeiten ausgleichen.

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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung für eine Lagerung von Rudern und Wölbungsklappen von Luft- oder Wasserfahrzeugen mit einer Abdeckung des zwischen Ruder und dazugehöriger Flosse bzw. Flügel bestehenden Spaltes, die tangential an Ruder und Flosse anschließt, wobei die Abdeckung bei jeder Ruderstellung die gleiche Länge und über diese Länge annähernd konstante Krümmung besitzen kann, dadurch gekennzeichnet , daß zur Lagerung ein vollständig unterhalb der Abdeckung (3) angeordneter, aus vier Hebeln (4-7) und sieben Lagerstellen (8-14) bestehender Mehrgelenkbogen vorgesehen ist, bei welchem im nicht ausgeschlagenen Zustand die Geraden (15, 16 und 17) durch die Punktepaare (8-9 , 10-12 und M-14) sowie die Geraden (18, 19 und 20) durch die Punktepaare (M-IO, 11-13 und 12-14) sich jeweils in einem gemeinsamen Punkt schneiden, der auch im Unendlichen liegen kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß die Bahn (21) des Lagerpunktes (14) im Ruder (1) an der dem nicht ausgeschlagenen Zustand entsprechenden Stelle die gleiche Krümmung hat wie die Ideal bahn "des Punktes (14), die bei der Idealbewegung des Ruders mit konstanter Länge s und exakt konstanter KrUmmung der Abdeckung entsteht.

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ORIGINAL INSPECTED

3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Bahn (22) des Lagerpunktes (10) in der Flosse (2) bei deren Relativbewegung zum Ruder (1) an der dem nicht ausgeschlagenen Zustand entsprechenden Stelle die gleiche Krümmung hat wie die Idealbahn des Punktes (10) , die bei der idealen Relativbewegung der Flosse (2) zum Ruder (1) mit konstanter Länge (s) und exakt konstanter Krümmung der Abdeckung entsteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet , daß der Viergelenkbogen (8-9-10-12) eine Parallelogrammführung ist, wobei die Längen (8-9 bzw. 10-12) der Hebel (4 bzw. 5) mit dem Krümmungsradius der Ideal bahn des Punktes (14) in der Umgebung der NuIlage übereinstimmen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 , dadurch ge ■ ι kennzeichnet _t daß der Viergelenkbogen (11-12-13-14) eine Parallelogrammführung ist, wobei die Längen (11-13 bzw. 12-14) der Hebel (7 bzw. 6) mit dem Krümmungsradius der Idealbahn des Punktes (10) relativ zum Ruder (1) in der Umgebung der NuIlage übereinstimmen.

Stuttgart, 9. 12. 1977

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