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Wie Ornithopter Fliegen

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Kardankurbelantrieb
der Ornithoptermodelle EV1 bis EV6

Inhalt:

  1. Kardankurbel allgemein
  2. Gleitflug-Kraftflug-Übergang
    durch Drehrichtungsumkehr des Antriebmotors

    beim EV1 bis EV4
  3. Gleitflug-Kraftflug-Übergang
    durch Schrittschaltung mit einem Servo

    beim EV5 und EV6
  4. Stufenlose Einstellung des Schlagwinkels
    mit einem Servoantrieb
  5. Weiterführende Links
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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 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 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.

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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.

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Die beim Gleitflug schräg verlaufende Bahnlinie des kleineren Steuerkurbelzapfens (Steuerkurbelzapfens lila, Hauptkurbelzapfen blau) ist anhand seiner Kreuzschleife gut zu erkennen.

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3. Gleitflug-Kraftflug-Übergang
durch Schrittschaltung mit einem Servo
beim EV5 und EV6

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.

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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.

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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.