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Kardankurbelantriebe
für Ornithopter

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 vom Motor 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 (blau, nächstes Bild) bewirkt die Schlagbewegung und die phasenverschobene Bewegung des Steuerkurbelzapfens (lila) 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 - Anlenkung siehe Antriebsmechanik des EV4.

In der Gleitflugstellung stehen beide Kreuzschleifen in ihrer Hubmitte und dementsprechend auch der Schlag- und 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.

Für Ornithopter gibt es drei Kardankurbel-Antriebsvarianten:

A. Gleitflug-Kraftflug-Übergang

durch Drehrichtungsumkehr des Antriebmotors

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.

movie-Ersatzbild

Die beim Gleitflug schräg verlaufende Bahnlinie des kleineren Steuerkurbelzapfens ist anhand seiner Kreuzschleife gut zu erkennen.

Dieses Antriebsprinzip wurde bei den Ornithoptermodellen EV1 bis EV4 angewendet.

B. Gleitflug-Kraftflug-Übergang

durch Riegelbetätigung mit einem Servo

Der Antriebsmotor hat nur eine Drehrichtung.

Der Riegel des Innenzahnrades wird durch einen einfachen Fernsteuerservo betätigt (siehe Bild 15 im Bericht).

Nur während der Umschaltung zwischen Gleit- und Kraftflug ist eine ständig hemmende Kraft am Hauptkurbelzapfen bzw. an der Kreuzschleife erforderlich. Anschließend wird die Stellung des Innenzahnrades verriegelt.

Sonst wie vorstehende Variante A.

movie-Ersatzbild

Dieses Antriebsprinzip wurde beim EV5 und EV6 eingesetzt.

C. 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.

movie-Ersatzbild

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.