Kardankurbelantrieb
der Ornithoptermodelle EV1 bis EV6
Inhalt:
1. Kardankurbel allgemein
Eine Kardankurbel ist ein möglicher Weg zur Umwandlung einer rotierenden Bewegung in eine geradlinige Bewegung. Erfunden wurde sie im 16. Jahrhundert von dem italienischen Mathematiker Girolamo Cardano.
Die Kardankurbel besteht insbesondere aus einem Innenzahnrad und einem Planetenrad mit einem Kurbelzapfen. Der Teilkreisdurchmesser des Innenzahnrades ist genau doppelt so groß wie der des Planetenrades. Jeder Kurbelzapfen auf dem Teilkreis des Planetenrades bewegt sich auf einer geraden Durchmesserlinie des Innenzahnrades.
Nur die Hauptantriebswelle im Zentrum der Kardankurbel wird von dem Glockenankermotor angetrieben. Mit dieser Welle ist die Achse des Planetenrades verbunden.
Zur Erzeugung einer Flügelschlagbewegung genügt die Anwendung nur eines Kurbelzapfens.
Für eine aktive Verwindung oder Verdrehung der Schlagflügel sind zwei versetzt angeordnete Kurbelzapfen erforderlich. Der Hauptkurbelzapfen bewirkt die Schlagbewegung und die phasenverschobene Bewegung des Steuerkurbelzapfens die Flügelverdrehung oder Verwindung.
Beim Kraftflug eilt hier der Steuerkurbelzapfen dem Hauptkurbelzapfen immer voraus, so wie die Flügelvorderkante gegenüber dem Flügelholm.
Die senkrechten Bewegungen der beiden Kurbelzapfen werden über Kreuzschleifen auf die Schlagflügel übertragen. Siehe hierzu Anlenkungen in der Antriebsmechanik des EV4.
In der Gleitflugstellung stehen beide Kreuzschleifen in ihrer Hubmitte und dementsprechend auch der Schlag- und der Anstellwinkel des Flügels.
Wird der Antrieb im Gleitflug in einem Kurbeltotpunkt angehalten, so kann er in senkrechter Richtung beliebige Kräfte von den Flügeln aufnehmen. Eine Bremse oder Blockierung der Kurbeldrehbewegung ist daher nicht erforderlich.
Kardankurbel, hergestellt für den EV1
Dieser spezielle Planetengetriebe-Mechanismus wandelt die rotierende Bewegung
des Elektromotors (Nenn-Eingangsleistung 85 Watt) in eine geradlinige, senkrecht
pendelnde Bewegung des Kurbelzapfens um. Eine Kreuzschleife wird nur für
die Umschaltung zwischen Gleit- und Kraftflug benötigt.
- Die Gleitflugstellung wird erreicht, wenn man die Kurbelzapfenbahn waagrecht ausrichtet.
- Die Kraftflugbewegung erhält man, wenn die Kurbelzapfenbahn senkrecht verläuft.
Am Getriebegehäuse oben, sind die beiden Abtaststifte für zwei verschiedene Gleitflugstellungen zu sehen.
Man kann hier den 2 mm-Versatz zwischen Haupt- und Steuerkurbelzapfen erkennen.
Zeichnung
von der kompletten Antriebseinheit
Nähere Einzelheiten siehe:
- Pläne der Einzelteile (PDF 1.4 MB) mit 18 Bleistiftzeichnungen
- Bericht über Die Entwicklung der EV-Schlagflügelmodelle (PDF 1.4 MB)
- mein Patent Nr. DE 26 28 846 (Anmeldung 1976, weiterführender Link 1)
Kreuzschleifen
in der Antriebsmechanik des EV4.
Die waagrecht verlaufende Hauptkreuzschleife (mit Stahl-Gleitflächen)
ist gut zu sehen. Auch die dahinter liegende, schräg verlaufende
Steuerkreuzschleife ist noch zu erkennen.
2. Gleitflug-Kraftflug-Übergang
durch Drehrichtungsumkehr des
Antriebmotors beim EV1 bis EV4
Bei jedem Wechsel der Antriebsdrehrichtung wird das Innenzahnrad um 90 Grad gedreht. Es kann sich dabei zwischen entsprechenden Anschlägen frei bewegen.
Voraussetzung für die Umschaltung und Beibehaltung der Kraftflugstellung des Innenzahnrades ist eine ständig hemmende Kraft am Hauptkurbelzapfen bzw. an dessen Kreuzschleife.
Die beim Gleitflug schräg verlaufende Bahnlinie des kleineren Steuerkurbelzapfens (Steuerkurbelzapfens lila, Hauptkurbelzapfen blau) ist anhand seiner Kreuzschleife gut zu erkennen.
3. Gleitflug-Kraftflug-Übergang
durch Schrittschaltung mit einem Servo
beim EV5 und EV6
Geänderte Kardankurbel
Die Umschaltung zwischen Gleit- und Kraftflug erfolgte beim EV5
und EV6 nicht mehr durch Drehrichtungsumkehr,
sondern durch eine Schrittschaltung des Innenzahnrades der Kardankurbel.
Der Riegel des Innenzahnrades wird durch einen einfachen Fernsteuerservo betätigt. Auch diese Variante ist enthalten in den Plänen der Einzelteile (PDF 1.4 MB) mit 18 Bleistiftzeichnungen.
Nur während der Umschaltung zwischen Gleit- und Kraftflug ist eine hemmende Kraft des Flügels am Hauptkurbelzapfen bzw. an der Kreuzschleife erforderlich. Anschließend wird die Stellung des Innenzahnrades verriegelt.
4. Stufenlose Einstellung des Schlagwinkels
mit einem Servoantrieb
Neben dem Hauptantrieb mit nur einer Drehrichtung, ist ein Servoantrieb mit Drehrichtungsumkehr erforderlich.
Die Leistung des Servoantriebes richtet sich nach den auftretenden Kurbelkräften und der gewünschten Steuergeschwindigkeit. Es genügt seine Auslegung für Kurzzeitbetrieb.
Der Schlagwinkel des Flügels lässt sich stufenlos einstellen.
Die Bahnlinien des Hauptkurbelzapfens in den einzelnen Stufen sind als weiß punktierte Linien dargestellt.
Bei dieser Variante war als Hauptantrieb ein Dieselmotor und als Servoantrieb ein Elektromotor vorgesehen. Dieses Antriebskonzept ist für Ornithopter besonders betriebssicher, da der Übergang auf Gleitflug auch bei Ausfall des Hauptantriebmotors erfolgen kann.
Ein derartiger Antrieb mit veränderbarem Hub wurde bisher noch nicht gebaut.
5. Weiterführende Links
- Hier finden sie die Angaben zu meiner Patentschrift für
die Kardankurbel mit
Drehrichtungsumkehr (wie Abschnitt 2) zur Anwendung bei einem Drehschwingentriebwerk:
https://depatisnet.dpma.de/DepatisNet/depatisnet?action=pdf&docid=DE000002628846C2
Die beiden anderen Kurbelvarianten habe ich dann nicht mehr zum Patent angemeldet. - Cornell University, Kinematic Models for Design,
Hypocycloid Straight-line Mechanism:
http://kmoddl.library.cornell.edu/model.php?m=137