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Einrichtung zur Erzielung der selbsttätigen Stabilität von Schraubenfliegern.
Gegenstand der Erfindung ist ein als Schraubenflieger ausgebildetes Flugzeug, welches
mittels Schrauben schwebend gehalten wird, deren Drehachsen annähernd senkrecht
gelagert sind.
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Es .ist schon vorgeschlagen worden, Luftfahrzeuge mit schwenkbaren
Hubschrauben zu versehen. Die Erfindung besteht im wesentlichen in der Einrichtung
zur Erzielung der selbsttätigen Stabilität bei Schraubenfliegern durch schwingende,
die Schrauben tragende Gestelle, die mittels oberhalb des Schwerpunktes des Ganzen
angeordneter Universalgelenke mit dem Gerippe verbunden sind und Gegengewichte aufweisen,
durch welche ihr Schwer-
Punkt unterhalb des Gelenkes zurückgestellt
wird, wobei die Universalgelenke dem schwingenden Gestell gestatten, in bezug auf
das Gerippe selbsttätig und frei jede relative Neigung anzunehmen. Zur Ermöglichung
der Fortbewegung des Schraubenfliegers werden Einrichtungen benutzt, die dem Flieger
gestatten, die Universalgelenke in bezug auf das Gerippe um jeden beliebigen Wert
und nach jeder beliebigen Richtung zu verstellen. Für die Aufrechterhaltung der
selbsttätigen Stabilität des Schrautenfliegers wird weiterhin für jede Verstellung
der Universalgelenke eine elastische, am schwenkbaren Arm befestigte Rückführungsvorrichtung
benutzt, deren Wirkungsgröße entsprechend er Verstellung der Universalgelenke geregelt
werden kann.
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Ein solcher Schraubenflieger kann mit jeder beliebigen Geschwindigkeit
in der Längs-und Querrichtung rewegt sowie beliebig schräg gestellt werden und auch
Drehbewegungen ausführen. Ferner vermag er während der ganzen Dauer der Fortbewegung
seine Stabilität selbsttätig zu wahren, einerlei bei welcher Geschwindigkeit und
in welchem Sinne diese erfolgt. Durch die vom Flieger herbeigeführte Verstellung
!der Schraubengelenke und die mittelbar oder unmittelbar vom Flieger hetäti-gte
elastische Rückführungsvorrichtung wird erreicht, daß die Kraftrichtungen von Schwerkraft,
Schraubenzug und Luftwiderstand durch einen Punkt hindurchgehen. Das Prinzip sowie
Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes sind auf den Zeichnungen dargestellt.
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Die Wirkung des Rückstellsystems erfolgt nach einer bestimmten, annähernd
parallel zu der dem pendelnden Gestell mitgeteilten Verstellung verlaufenden Richtung,
uni die Intensität derselben richtet sich nach der Größe und Bedeutung der Verstellung.
Diese Intensität ist so geregelt, daß die ursprünglich senkrechte stabile Gleichgewichtslage
der HubschrauLenachse um einen bestimmten, in der Folge näher definierten Wert geneigt
wird. Die Neigung ist so geartet, daß bei normaler Fluglage die Resultierende der
entsprechend der neuen schrägen stabilen Gleichgewichtslage der pendelnden Gestelle
wirkenden Hubkräfte sowie das Gewicht des gesamten Flugzeuges und der der Fortbewegung
entgegenarbeitende Luftwiderstand drei zusammenwirkende, im Gleichgewicht befindliche
Kräfte bilden. Mit anderen Worten, diese Neigung oder Schräglage ist so beschaffen,
daß in der neuen stabilen Gleichgewichtslage die Resultante der Hubkräfte durch
den Schraubenfliegerfestpunkt hindurchgeht, der sich im Schnittpunkt der Senkrechten
des Flugzeuggewichtes und der Richtung des in Betracht gezogenen Fortbewegungswiderstandes
befindet (Abb. i).
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Bei direkter Betätigung seitens des Führers kann man die notwendige
Wechselbeziehung zwischen den Verstellungen .der Gelenke und den durch die Rückstellsysteme
der pendelnden Gestelle verursachten Kraftäußerungen durch Verwendung von zwei Satz
Gradteilungen erreichen, die einander entsprechen und auf den Organen eines jeden
der beiden Betätigungssysteme angeordnet sind.
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Bei dem durch Anwendung der oben angeführten Vorrichtungen geschaffenen
Sachverhalt zerfällt die Resultante A der Hubleistung (Abb. i) in eine das Gewicht
C des Ganzen ausgleichende Hubkraft B und in eine parallel zur Verstellung der Gelenke
gerichtete Kraft H. Diese Kraft H bewirkt die Verlegung des Systems
nach einer Richtung, die annähernd identisch ist mit der der Verstellung der Gelenke,
und zwar bei einer Geschwindigkeit, .die so geartet ist, daß der der Fortbewegung
sich entgegensetzende Widerstand der umgebenden Luft der Kraft H das Gleichgewicht
hält. Der Ausgangspunkt 0 der Verstellung der Gelenke ist demzufolge derjenige,
für welchen die Kraft H gleich Null ist, .d. h. für welchen die Resultante A der
Hubkräfte senkrecht isst und durch den Schwerpunkt G !des Ganzen hindurchgeht. In
Abb. i sind 0,, 0,', 02, 0.' die Verstellungen der Gelenke, y1 und y. die
entsprechenden Rückstellkräfte. Befindet sich andrerseits das System in normaler
Fluglage bei gleichförmig stattfindender Fortbewegung, so bewirkt jede Schrägstellung
des Flugzeuges in der Längs-oder Querrichtung, daß die Resultante B der Hubkräfte
A und der FortbewegungsNviderstände H' durch einen vor oder hinter oder einen rechts
oder links vom Schwerpunkt des Ganzen gelegenen Punkt hindurchgeht (Abb.2 und 3).
Die Vertikalkomponente B der Kraft A setzt sich dann mit dem Gewichte B zu einem
stabilisierenden Rückstellkräftepaar zusammen. Das System unterliegt sonach ständig
dem Drang, in eine einheitliche Gleichgewichtslage überzugehen (Abb. i), welche
derjenigen entspricht, für welche die Resultante A der Hubkräfte, das Gesamtgewicht
C und der Fortbewegungswiderstand H' einen ,gemeinsamen Angriffspunkt haben und
sich das Gleichgewicht halten. Die Neigungen, die,der Schraubenflieger annehmen
kann, sind durch Abb. io und i i in ihren allgemeinen Erscheinungsformen veranschaulicht.
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Der Einfachheit halber ist für vorliegende Beschreibung ein Apparat
mit nur zwei nach entgegengesetzten Richtungen umlaufenden
Schrauben
zugrunde gelegt worden. Bei sachgemäßer Anordnung können aber die nachfolgend :beschriebenen
Vorrichtungen auch bei Flugsystemen mit beliebiger Schraubenzahl Verwendung finden.
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Die Neigungsbewegungen des Apparates können so zusammengeeetzt werden,
daß nur eine Neigung um zwei beliebige rechtwinklige, annähernd wagerechte Achsen
erfolgt.
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Beispielsweise sei angenommen, von diesen Achsen verlaufe die eine
parallel zur Längsachse des Apparates, die andere senkrecht zu dieser Achse.
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a) .Zur Erzielung der Querneigung sind die Ausgleich- und Antriebvorrichtungen
so angeordnet, daB die Schraubenachsen eine Winkelverstellung erfahren, welche in
einer senkrecht zur Längsachse des Apparates stehenden Ebene stattfindet. Bei dieser
Bewegung geht die Resultante A' (Abb. i o) der Hubkräfte durch einen rechts oder
links vom allgemeinen Schwerpunkt B' des Apparates gelegenen Punkt und ihre Vertikalkomponente
C' bildet dann mit dem Gewichte D' ein Kräftepaar, dessen Wirkung seitens des Führers
so lange aufrechterhalten werden muß, bis die angestrebte Neigung erreicht ist.
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Die Horizontalkomponente H' wird hierbei durch die Trägheit ausgeglichen,
die :der iGesamtaoparat dem Querablen'kungsbestreben dieser Komponente entgegensetzt.
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b) Unter ähnlichen Bedingungen sind die Ausgleich- und Antriebsvorrichtungen
so angeordnet, @daß die Schraubenachsen eine Winkelverstellung erfahren, welche
in einer parallel zur Längsachse des Apparates verlaufenden Ebene erfolgt. Die Resultante
A' (Abb. i i) der den Apparat schwebend erhaltenden Kräfte (Hubkräfte) verläuft
dann vor oder hinter dem Schwerpunkte B', und ihre Vertikalkomponente
C bildet mit dem Gewichte D' ein Schrägstellkräftepaar, dessen Wirkung seitens
des Führers so lange aufrechterhalten wird, bis .die gewünschte Neigung erreicht
ist. Die @H(>rizontalkoinponente H wird unter den gleichen Bedingungen wie im vorbetrachteten
Falle ausgeglichen.
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c) Die Drehbewegung um eine fast senkrechte Achse wird dadurch erhalten,
daß man die Achsen einer Gruppe von Schrauben gegenüber den anderen Achsen versetzt.
Wenn die Gelenke der Schrauben in .einer gemeinsamen Ebene oder in parallelen Ebenen
gelegen sind, so erfolgt das Versetzen außerhalb der Ebene der Gelenke. Das Versetzen
erreicht seine größte Wirksämkeit, wenn es senkrecht zu dieser Ebene stattfindet.
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Im Sonderfalle eines Systems von zwei Schrauben können die Teilwerte
ä , und a', der Gesamthwbleistung nach erfolgtem Versetzen (Abb. 12) zu einer
senkrechten, das Gewicht D' ausgleichenden Vertikalresultante C und zwei
horizontalen und parallelen Komponenten H', und H'2 zusammengesetzt werden, die
in der Ebene sich befinden, in welcher das Versetzen erfolgt. Die letztgenannten
Kräfte bilden ein Kräftepaar, welches eine Drehung des Systems um eine senkrechte
Achse bewirkt und seinen Einfluß so lange geltend macht, wie das Versetzen andauert.
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Bei Verwendung von mehr als zwei Schrauben kann man zwei Gruppen von
Schrauben gesondert ausgleichen, die erste Gruppe zur Erzielung der verschiedenen
Neigungen benutzen und die Anwendung des Systems zur Vornahme des Versetzens auf
die zweite Gruppe beschränken, wodurch die mechanischen Betätigungsmittel vereinfacht
werden.
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Die vörerwähnten charakteristischen Vorkehrungen lassen sich durch
passende mechanische Organe verwirklichen: Beispielsweise können die Universalgelenke
aus Kugelgelenken (Abb.5) oder aus Kardanschen Gelenken (Abb. 6 @ und 7) usw. bestehen.
Die Übertragung der Bewegung auf die Schrauben durch die Gelenke hindurch kann zustande
gebracht werden entweder indem man den Motor direkt auf der Schraubenwelle montiert,
undzwarunterhalb (Abb. q.) oder oberhalb (Abb, 5) der Gelenke, oder indem man die
Schrauben durch Hilfswellen antreibt, die mit dem Gerippe zusammenhängen und mittels
Kardanscher Gelenke auf die Schrauben einwirken, wobei diese Wellen in der Verlängerung
der Schraubenwelle (Abb.6) angeordnet oder hohl sein oder letztere umgeben können
(Abb. 7), oder auch durch Anwendung jeglichen gleichwertigen Systems.
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Die Vorrichtungen zur Verschiebung der Gelenke lassen sich verwirklichen
durch eine Kombination von Verstellungen nach zwei beliebigen rechtwinkligen Richtungen,
z. B. im Sinne der Längsachse und der Querachse des Apparates.
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Diese Vorrichtungen können gebildet sein: a) durch eine Gruppe von
zwei rechtwinkligen Traversen, die auf Führungsstangen montiert sind und an deren
Kreuzungspunkt .das Gelenk mittels Gleitstückes befestigt ist (Abb. 4); b) durch
ein Gleitstück, welches das Gelenk trägt und auf einer geführten Traverse beweglich
ist (Abb.5); c) durch ein oder mehrere um untere Gelenke schwingbar angeordnete
Rahmen, deren oberes Rohr die Rolleder Traversen der vorerwähnten Systeme spielt
(Abb.6); d) durch jede andere gleichwertige Vorrichtung.
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Im übrigen kann die Verstellung nach nur einer Richtung (Längs- oder
Querrichtung)
vorgenommen werden, wenn die herbeizuführenden Verschiebungen
nur nach dieser einen Richtung (am häufigsten in der Längsrichtung) zu erfolgen
haben (Abb. 7).
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Das Gegengewichtssystem kann durch jedes Organ der schwingbaren Gestelle
(Motor, Ballast, Wellen usw.) gebildet sein usw.
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Das Rückstellsystem, dessen Bedeutang bereits dargelegt wurde, kann
bestehen: a) aus einer Feder, die mit einem Ende .am schwingenden Gestell befestigt
ist, und zwar gegenüber dem Gelenke in einem Abstande, der sich aus der oben erläuterten
Regelungsbedingung ergibt, während das andere Ende der Feder an einen Punkt des
Gerippes angeschlossen ist, der so gewählt ist, daß beim senkrechten Aufstieg die
Feder keinerlei Einfiuß auf das schwingende Gestell ausübt (Abb. 4); b) aus einer
ähnlichen Feder, deren Kraftäußerungen sich dadurch vergrößern, daß das Ende an
einer Kulisse befestigt ist, ,die vom Führer betätigt wird und eine Gradeinteilung
trägt, welche identisch ist mit der an den Betätigungsmittein der Gelenke vorgesehenen
(Abb. 5) ; c) aus einem Gegengewicht, welches auf das schwingbare Gestell mittels
eines Hebels einwirkt, auf welchem es an einem Punkte befestigt ist, der seitens
des Führers nach Belieben verstellt werden kann. Die einzelnen Lagen des Gegengewichtes
sind :durch Gradeinteilungen kenntlich, die mit denjenigen identisch sind, welche
die Betätigungsmittel der Gelenke tragen (Alyb. 6) ; d) aus einer Feder, die ähnlich
ist der obenerwähnten und deren Kraftäußerungen dadurch verstärkt werden, daß das
eine ihrer Enden an das Ende eines Hebels angeschlossen ist, dessen Drehung zwangläufig
mit der Verschiebung der Gelenke erfolgt (Abb.7); e) aus jeder beliebigen Kombination
der Elemente der vorgenannten Vorrichtungen oder aus jeder sonstigengleichwertigen
mechanischen Vorrichtung.
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Abb.:I ,bis 9 zeigen beispielsweise einige Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes.
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In Abb. q. treibt der Rotationsmotor A die Schraube mittels einer
Welle an, welche durch das Universalgelenk B hindurchgeht. Dieses Gelenk setzt sich
zusammen aus einem Widerlager und aus passenden Kugellaufringen. Das schwingbare
Gestell C ist hinsichtlich der Drehhewegungen durch einen Anschlag d gegenüber dein
Flugzeuggerippe festgelegt. Die Querverstellung des Universalgelenkes erfolgt mittels
eines Rahmens e, e', f. Die die Kugellaufringe und das Widerlager umschließende
Hülse ruht mittels Gleitstücke la, li auf dem Rahmen e, f und auf der Traverse
g. Die Bewegungen .des Rahmens e, f und der Traverse g erfolgen durch Verstellung
auf Führungsrohren, wozu Kabel 1-i, 2-2 dienen, die durch den Führer betätigt werden.
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Das Rückstellsystem besteht aus den Federn i, i", welche ausschließlich
auf Streckung beansprucht werden und einerseits am schwingbaren Gestell, andrerseits
am Flugzeuggerippe befestigt sind. Diese Federn arbeiten abwechselnd, je nachdem
die Verstellung des Universalgelenkes gegenüber der Neutralstellung nach der einen
oder nach der anderen Seite erfolgt. Der Befestigungspunkt am Gestell ist so gewählt,
daß die Resultante der Hubkräfte, das Gewicht des Apparates und der -der Fortbewegung
entgegenarbeitende Luftwiderstand einen gemeinsamen Angriffspunkt besitzen, einerlei,
welche Verstellung die Gelenke erfahren, was wiederum erfordert, daß die beiden
Federn entspannt sind, wenn das Gelenk in der neutralen Lage sich befindet. Bei
der Ausführungsform nach Abb. 5 sitzt die Schraube unmittelbar am Motor A. Dieser
Motor ist an einem Gestell befestigt, das ein Kugelgelenk b besitzt, welches mit
dem zweiteiligen Gleitstück c das Universalgelenk bildet. Die Verlängerung der Welle
trägt ein Gegengewicht d. Das Gleitstück C selbst ist auf einem Gestell querverschiebbar
angeordnet, welches aus zwei Traversen e, e' und einem die Führungsstange g umfassenden
Rohr f besteht. Die Verstellung dieses Gestelles in der Längsrichtung erfolgt seitens
des Führers mittels einer Stange h, die Querverstellung dagegen durch Kabel i-i,
welche an das Gleitstück c angeschlossen sind und über zwei im Rahmen gelagerte
Scheiben i laufen.
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Das Rückstellsystem besteht aus einer Feder j, welche unterschiedslos
auf Zug und Druck beansprucht werden kann. Diese Feder ist mit einem Ende an einem
einstellbaren Punkte der das Gegengewichtd tragenden Stange befestigt, während das
andere Ende an eine Schraube h angeschlossen ist, die mittels einer Mutter l achsial
verstellt werden kann. Die Narbe dieser Mutter ist an ihrem Umfange mit Einschnitten
versehen, in welche ein federnder Finger ira eingreift. Gegenüber den Einschnitten
sind Gradteilungen vorgesehen. Eine gegenüber dem Führer angeordnete Tafel gibt
für jede Stufe der Längs- und Ouerverschiebung des Universalgelenkes die koordinierte
Muttergradteilung, welche der genauen Einstellung des Rückstells_vstems entspricht.
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Beschränkt man sich auf die Verstellung der Gelenke in der Längsrichtung,
so kann die Anordnung dahin vereinfacht werden, daß man die Gradteilungen so einrichtet,
daß nach
vorgenommener Einstellung die durch die die Längsverschiebung
der Gelenke bewirkenden Betätigungsmittel und die Mutter des Systems angezeigten
Gradteilungen den gleichen Wert aufweisen.
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In Abb.6 treibt der am Flugzeuggerippe befestigte Motor die Schraube
durch die Vermittlung einer WelleA und eines Kardanschen Gelenkes an. Die Schraubenwelle
wird von einer Hülse b getragen, welche die Schweibeleistung auf das Flugzeuggerippe
mittels eines Satzes rechtwinklig aufeinanderstehender Achsen überträgt, die mit
einem konzentrischen Ring c fest zusammenhängen und mit diesen das Universalgelenk
.bilden. Die beiden Stücke der äußeren Achse werden von den beiden Rohren d getragen,
welche in ihrer Verbindung mit einer Traverse ein querverschiebbares Gleitstück
bilden. Dieses Gleitstück e wird von einem in .der Längsrichtung schwingbaren Gestell
getragen, welches aus den beiden Seitenteilen f, den Traversen g und den beiden
Stehbolzen h besteht. Betätigt der Führer :die Stange i, so wird hierdurch der schwingbare
Rahmen und mit diesem das Gelenk in der Längsrichtung verstellt. Die Querverstellung
des Gleitstückes unter Einwirkung des durch das über 'die Rolle h laufende Kabel
i betätigten Winkelhebels j bewirkt die Querverstellung des Gelenkes. Das Rückstellsystem
winkt auf die als Gegengewicht ausgebildete Glocke l ein, welche die Verlängerung
der Hülse b bildet. Es besteht aus einem Kniehebel, dessen Drehachse am Flugzeuggerippe
befestigt ist, und dessen einer Arm m durch eine Stange auf die Glocke l einwirkt,
während der andere Arm einem beweglichen Gegengewicht n als Führung dient, das seitens
des Führers mittels Schraube und Handrad 0 verstellt wird. Die Führungsstange ist
mit. Gradteilungen versehen, die in ähnlicher Weise eingerichtet sind wie die an
der Mutter l (Abb. 5) vorgesehenen.
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Das Ausgleichgewicht p ist so beschaffen, daß es die vom horizontalen
Hebelarm abhängigen Organe im Gleichgewicht hält, wenn das Gegengewicht n gegenüber
der Gradteilung liegt, die der neutralen Lage des Gelenkes entspricht.
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Beider Ausführungsform nach Abb. 7 bis 9 ist der Motor ebenfalls.
am Flugzeuggerippe befestigt. Er treibt die Schraube mittels einer Hohlwelle A an,
mit der die Schraube durch ein Kardansches Gelenk b verbunden ist. Die Welle A wird
mittels Kegelräder und einer wagerechten Welle c angetrieben.
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Die Verstellung des Kardangelenkes findet nur in der Längsrichtung
statt. Zu diesem Zwecke trägt das Gehäuse d der Welle b eine aus zwei Stücken gebildete
Querwelle, welche die Übertragung der Hubkräfte auf einen A-förmigen Rahmen e gewährleistet.
Die beiden Schenkel des Rahmens e können um Zapfen f schwingen, deren Lagerschalen
am Gerippe befestigt sind. Die aus zwei mittels eines durchlochten Bleches miteinander
verbundenen Winkeleisen bestehenden Schenkel sind an ihrem oberen Teile an ein gebogenes
U-förmiges Eisen g angeschlossen, weiches die Drehzapfen des Gehäuses d trägt. Das
Eisen g ist an der Hinterseite mittels Stehbolzen versteift. Der Führer bewirkt
das Ausschwingen des Rahmens e und demzufolge die Längsverstellung des Gelenkes
b durch Drehung eines Rades h, über dessen Achse zwei ununterbrochene Kabel
3, 3, 3, 3 laufen, welche auf zwei an jedem Schenkel des Rahmens e festgenieteten
Sektoren befestigt sind.
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Das Rüekstel'lsystem ist ähnlich dem, nach Abb. q., weist jedoch folgende
Abweichungen auf: i. Der Befestigungspunkt ä ider Federn ist auf der Schraubenachse
einstellbar.
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2. Die Federn bestehen aus einer Gruppe von zwei Gummiseilen.
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3. Die Längsverstellung des Gelenkes bewirkt je nach dem Sinne, in
welchem sie erfolgt, die Streckung des einen oder des anderen der Gummiseile und
demzufolge deren Spannung. Diese Streckung und die entsprechende Spannung werden
dadurch. verstärkt, daß das andere Ende -der Seile j an einem Querhebel k befestigt
ist, der dieKraftäußerung vervielfacht und dessen Achsel am Flugzeuggerippe befestigt
ist. Dieser Hebel wird durch eine Stange m betätigt, die mit dem entsprechenden
Schenkel des Rahmens e verbunden ist.
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In .der neutralen Lage des Gelenkes sind die beiden Gummiseile i entspannt.
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Abb. 8 ist ein Schnitt nach Linie 1-i, Abb. 9 nach Linie 2-2 in Ab'b.
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