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Die Erfindung betrifft ein Wasserfahrzeug mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. Aufgabe der Erfindung ist, einen an Land oder auf einem Trainingsgerät ausgeführten Ausdauersport auch auf dem Wasser, bevorzugt auf stehenden Wasserflächen zu praktizieren. Dabei ist es insbesondere die Aufgabe der Erfindung, ein sportliches Bewegungsmuster zu erlauben, das der Praxis an Land weitestmöglich entspricht. Insbesondere soll das Bewegungsmuster des Radsports auf die Fortbewegung auf dem Wasser übertragen werden. Dazu gehört, dass sowohl die Art des Antriebs als auch der Lenkung den gewohnten Aktionen nahekommt. Auch ist es ein Ziel der Erfindung, eine sportliche Fortbewegungsgeschwindigkeit zu erreichen. Es ist außerdem ein Ziel der Erfindung, dass als Antriebseinheit ein ganz normales Fahrrad zum Einsatz kommt, beispielsweise das normale Straßenrennrad des Benutzers, so dass das Wasserfahrzeug ein Zubehörteil zum Fahrrad bildet, analog zu einem Rollentrainer im heimischen Trainingsraum. Es ist deshalb auch ein Ziel der Erfindung, dass das Wasserfahrzeug hierdurch wesentlich preisgünstiger ist als ein vollständiges Tretboot mit eigener Antriebseinheit und dass relativ wenige, leicht zu transportierende und zu lagernde Bauteile zusätzlich zum ohnehin vorhandenen Fahrrad zu beschaffen sind.
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Es sind viele Lösungen für Wasserfahrzeuge mit Tretantrieb bekannt. Dabei handelt es sich überwiegend um Lösungen, die keinen Ausdauertrainings- oder Leistungssportgedanken zum Ziel haben. Außerdem nimmt die Besatzung dieser Fahrzeuge nicht die für einen möglichst effektiven Energieeinsatz optimale Sitzposition eines Fahrrad- bzw. Rennradfahrers ein.
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Es sind jedoch auch Lösungen bekannt geworden, die eine leistungssportliche Fortbewegung zum Ziel haben. Das
US5,088,944 beschreibt ein Wasserfahrzeug, das durch einen Tretantrieb wie ein herkömmliches Fahrrad angetrieben wird. Der Fahrer nimmt eine beim Fahrradfahren übliche Sitzposition ein und lenkt das Fahrzeug über einen Lenker vergleichbar einem Fahrrad. Allerdings kommt als Antriebseinheit kein herkömmliches Fahrrad zum Einsatz, sondern ein spezieller, aufwendiger Gestellaufbau. Außerdem wird das Fahrzeug zwar über einen drehbaren Vorderlenker gesteuert, es fehlt aber vollständig die Möglichkeit, sich wie beim wirklichen Fahrradfahren in die Kurve zu neigen, da der Gesamtaufbau auf zwei herkömmlichen Katamaran-Schwimmern lagert, die eine Drehung der Anordnung um die Längsachse nicht erlauben. Der wesentliche Erfindungsgedanke des
US5,088,944 ist es, ein leicht und klein zusammenklappbares Wasserfahrzeug zu schaffen.
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Das
US5,626,501 beschreibt ebenfalls eine Lenkung über einen Vorderlenker, wobei über den Lenker ein vorderer Schwimmer wie ein Vorderrad gesteuert wird. Es enthält aber weder den Gedanken, ein herkömmliches Fahrrad als Antriebseinheit zu verwenden, noch die ergonomisch günstige Sitzposition eines herkömmlichen Fahrrads. Es ist auch keine Kurvenneigung wie bei einem herkömmlichen Fahrrad möglich, da der Hinteraufbau auf zwei Katamaranschwimmern ruht.
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Gleich wie das
US5,626,501 verwendet auch die
DE 19 606 365 insgesamt drei Schwimmkörper, die eine Steuerung des Wasserfahrzeugs in der art eines Dreirads erlaubt, aber nicht wie bei einem Fahrrad mit Kurvenneigung. Die
DE 19 606 365 enthält jedoch den Gedanken, als Antriebseinheit ein herkömmliches Fahrrad zu verwenden, so daß keine Kosten für die Antriebseinheit aufzuwenden sind. Es müssen allerdings die Räder entfernt werden. Auch muß die Geometrie des Fahrradrahmens präzise zu der auf der Schwimmereinheit angebrachten Befestigungseinheit passen, weshalb nicht ein beliebiges, sondern ein genau passendes Fahrrad verwendet werden muß.
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Nach der Lehre des
US5,387,140 wird als Antriebseinheit für ein Wasserfahrzeug ein herkömmliches ein- oder mehrsitziges Fahrrad verwendet. Die Kraftübertragung auf eine Schiffschraube erfolgt über das Hinterrad und eine Laufrolle, die den Propeller antreibt. Das Hinterrad verbleibt also am Fahrrad. Auch bei dieser Lösung ist eine Querneigung des Fahrzeugs bei Kurvenfahren nicht möglich, da eine herkömmliche Katamaran-Schwimmeranordnung verwendet wird.
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Gemäß der 5,443,405 wird als Antriebseinheit ein komplettes Fahrrad verwendet einschließlich Rädern. Der Antrieb erfolgt über Rollen wie bei bekannten Rollentrainern für den Gebrauch im Trainingsraum, wobei die Rollen mit zwei Antriebspropellern verbunden sind. Die Antriebseinheit wird auf einem Surfbrett oder einem ähnlich einem Surfbrett gestalteten Schwimmer montiert. Ein solcher Schwimmer verhält sich nicht ausreichend kippstabil, weshalb das Fahrzeug mit zwei Stützschwimmern ausgestattet ist. Durch die Stützschwimmer ist auch dieses Wasserfahrzeug nicht in der Lage, zur Kurvenfahrt eine Querneigung wie beim Fahrradfahren einzunehmen. Bei Verwendung eines handelsüblichen Fahrrads und eines ebensolchen Surfboards besteht ein besonderer Vorteil dieser Lösung darin, daß nur noch wenige, preiswerte und kleinvolumige Zusatzbauteile benötigt werden.
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Die
US 6,309,263 beschreibt ein Wasserfahrzeug mit Tretantrieb, das über einen Lenker und über Kurvenlage wie ein Fahrrad gesteuert zu werden, Um dies zu erreichen ist aber ein sehr aufwendiger und sehr großer Aufbau erforderlich. Es wird kein herkömmliches Fahrrad verwendet, sondern eine spezielle aufwendige Antriebseinheit und es wird ein sehr langgestreckter Schwimmkörper und eine aufwendige Steuerungskinematik verwendet. Die Größe und die aufwendig Gestaltung schließt eine Anwendung als einfaches Freizeitgerät aus.
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Die vorliegende Erfindung sieht ein mit Muskelkraft betriebenes Wasserfahrzeug vor, das der Sportler mit gleichen Bewegungsmustern betreibt wie bei der äquivalenten Sportart an Land. Dadurch wird der Sportler muskulär, motorisch und organisch in idealer Weise für die aquivalente Sportart trainiert. Umgekehrt ist der Sportler durch die Erfahrung mit der äquivalenten Sportart an Land ideal für die Fortbewegung mit dem Wasserfahrzeug trainiert.
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Das Wasserfahrzeug umfasst eine Antriebseinheit und eine Schwimmereinheit
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Bevorzugt wird das Wasserfahrzeug wie ein Fahrrad mit einem Tretantrieb bewegt. Es bietet sich ganz besonders an, dasselbe Fahrrad als Antriebseinheit zu verwenden, das der Sportler auch an Land benutzt. Dieses bietet für sein Training die optimalen Voraussetzungen. Dieses Fahrrad kann je nach Ausführungsform des Wasserfahrzeugs vollständig oder nach Demontage eines oder beider Räder auf der Schwimmereinheit des Wasserfahrzeugs befestigt werden. Die Verwendung eines ohnehin vorhandenen Fahrrads hat den zusätzlichen Vorteil, daß für das Wasserfahrzeug keine eigene Antriebseinheit benötigt wird.
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Wenn das Fahrrad komplett mit Hinterrad montiert wird, dann erfolgt der Antrieb über eine Rolle nach dem Prinzip eines stationären Rollentrainers, wobei die Antriebsleistung von der Rolle auf eine Schiffschraube, einen Impellerantrieb oder ein Schaufelrad umgelenkt wird.
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Alternativ wird das Hinterrad des Fahrrads entfernt und es wird statt des Hinterrads ein Antriebsrad vorzugsweise für eine Kette, einen Flach- oder einen Zahnriemen oder für ein Kegelradgetriebe in der Hinterradgabel montiert, über welche eine Schiffschraube, ein Impeller oder ein Schaufelrad angetrieben wird.
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Die Schwimmereinheit ist auf geringen Strömungswiderstand optimiert, um der sportlichen Fortbewegung an Land nahe zu kommen.
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Die Geschwindigkeiten, die mit Verdränger-Schwimmkörpern, also mit Schwimmkörpern, deren Auftriebswirkung auf der Wasserverdrängung beruht, erreicht werden können, sind prinzipiell begrenzt. Als erreichbare Höchstgeschwindigkeit gilt die sogenannte Rumpfgeschwindigkeit, die auch bei beliebig hoher Antriebsleistung nicht überschritten werden kann. Bei Annährung an diese Rumpfgeschwindigkeit überlagern sich die Bug,- und die Heckwelle des Schwimmkörpers und geraten in Resonanz. Die Resonanzwelle nimmt jede weitere in das System investierte Energie auf. Die Rumpfgeschwindigkeit ist unmittelbar von der Rumpflänge abhängig. Um eine fahrradähnliche Geschwindigkeit, also beispielsweise mehr als 15 km/h in Verdrängerfahrt zu erreichen, wäre eine Länge der Schwimmeranordnung mindestens in der Größenordnung von 10 Meter erforderlich.
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Eine entsprechende prinzipielle Begrenzung der Geschwindigkeit gibt es bei Gleiter-Schwimmkörpern nicht, also bei Schwimmkörpern, deren Auftriebswirkung ab einer gewissen Geschwindigkeit auf dem hydrodynamisch erzielten Auftrieb beruht. Bei Gleiter-Schwimmkörpern gibt es auch keine prinzipielle Abhängigkeit der erreichbaren Geschwindigkeit von der Schwimmerlänge.
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Die Schwimmereinheit des erfindungsgemäßen Wasserfahrzeugs wird deshalb vorzugsweise als Gleiter-Schwimmkörper ausgeführt. Gleiter-Schwimmkörper sind gekennzeichnet durch eine im Wesentlichen flache Unterseite
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Besonders günstig ist, daß Gleiter-Schwimmkörper grundsätzlich die Eigenschaft haben, daß sie sich bei Kurvenfahrt sinnrichtig in die Kurve legen. Dies beruht darauf, daß sich der Wellenberg der Bugwelle auf der Kurvenaußenseite aufbaut und auf der Innenseite ein zugehöriges Wellental.
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Die Schwimmereinheit sollte ausreichend breit ausgelegt sein, um bei Langsamfahrt und im Stillstand eine ausreichende Kippstabilität zu gewährleisten. Ebenso sollte das Fahrrad bei im Wasser treibendem Wasserfahrzeug zu besteigen und zu starten sein. Auch ein Wiederbesteigen und starten des gekenterten Fahrzeugs sollte möglich sein. Eine breite Bauform steht einer guten Leistung bei Gleitfahrt nicht entgegen, macht es vielmehr besonders auftriebsstark.
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Eine Schwimmereinheit, welche die vorgenannten Anforderungen erfüllt, kann der Ausführung eines handelsüblichen Windsurfboards sehr nahe kommen. Surfboards und Windsurfboards, prinzipiell auch noch Wasserski sind die kleinsten handelsüblichen Schwimmereinheiten mit Gleitereigenschaften. Sie sind allerdings in vielen Fällen nicht für Gleitfahrten bei geringen Geschwindigkeiten und im Sinne einer guten Manövrierfähigkeit auch nicht auf gute Kippstabilität ausgelegt. Für das erfindungsgemäße Wasserfahrzeug ist deshalb vorzugsweise eine Schwimmereinheit zu verwenden, die sehr ähnlich einem handelsüblichen Windsurfboard ausgelegt ist, aber im Sinne einer möglichen Gleitfahrt bereits bei geringer Geschwindigkeit und angesichts des Zusatzgewichts durch die Antriebseinheit großflächiger und großvolumiger als der Standard des handelsüblichen Windsurfboards. Da zum Besteigen der Antriebseinheit im Stillstand eine besonders gute Kippstabilität erforderlich ist, ist auch eine besonders große Breite der Schwimmereinheit erforderlich. Es ist nicht erforderlich, für diese Anforderungen eine besondere Schwimmkörperentwicklung durchzuführen, denn es gibt durchaus handelsübliche Windsurfboards, die diese erfüllen. Einerseits haben jüngere Entwicklungen gezeigt, daß Windsurfboards in gedrungener Form und um 80 cm, teilweise bis 1 Meter Breite keine Nachteile in Fahreigenschaften und -geschwindigkeit gegenüber traditionellen Formen mit 60–70 cm Maximalbreite aufweisen. Andererseits gibt es spezielle Hochleistungssurfboards für herausragende Gleitleistungen bei geringer Windstärke mit bis zu 250 Liter Volumen, wie sie beispielsweise von der Firma AHD-Boards angeboten werden.
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Es zeigt sich also, daß eine für das erfindungsgemäße Wasserfahrzeug optimal geeignete Schwimmereinheit auch für den Windsurfsport speziell bei Schwachwindbedingungen hervoragende Eigenschaften haben kann. Die Schwimmereinheit des erfindungsgemäßen Wasserfahrzeugs soll daher so ausgelegt sein, daß er nach Entfernen der Antriebseinheit mit einem Windsurfrigg ausgestattet und für Windsurfing verwendet werden kann. Vorzugsweise soll jedoch gegenüber dem Stand der Technik eine weitere Optimierung erfolgen.
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Bekannte Windsurfboards haben im Allgemeinen eine insgesamt flache Unterseite. Es ist aber bekannt, dass das Aufgleiten beim Übergang von Verdrängerfahrt bei geringer Geschwindigkeit zur Gleitfahrt bei höherer Geschwindigkeit durch die Anbringung von einem oder mehreren flachen Kielen begünstigt wird. Das vorgenannte Windsurfboard der Firma AHD-Boards umfasst aus diesem Grunde auch einen leichten Mittelkiel im vorderen Bereich. Für das erfindungsgemäße Wasserfahrzeug ist eine derartige Auslegung günstig. Noch günstiger jedoch ist eine Dreikielerauslegung der Unterseite, sowie eine Querschnittsform des Schwimmkörpers, die im Sinne einer hohen Kippstabilität eine hohe Maximalbreite aufweist, jedoch nur im Bereich des oberen Querschnittsbereich. Zur Erzielung guter Kurveneigenschaften verjüngt sich die Querschnittsform zur Unterseite hin konisch. Weitere Einzelheiten zur Auslegung der Schwimmereinheit werden an Hand der Figuren beschrieben.
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Hydrodynamischer Auftrieb kann günstig auch durch unterhalb der Wasseroberfläche angeordnete Tragflächen erzeugt werden, wobei eine Tragfläche als vorderer Schwimmer und eine Zweite als hinterer Schwimmer anzuordnen ist. Um auch Verdrängerfahrt und ausreichenden Auftrieb im Stillstand, sowie ausreichende Kippstabilität zu erreichen, ist gleichwohl ein großvolumiger Schwimmkörper erforderlich, der genügend Kippstabilität und Tragfähigkeit im Stillstand und Langsamfahrt ermöglicht. Ein Schwimmkörper, der mit Tragflächen ausgestattet ist, kann grundsätzlich ebenso ausgelegt sein wie vorstehend, jedoch bietet die besondere Ausbildung der Unterseite mit Kielen in diesem Fall keine Vorteile.
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Bekannte, für Rekordfahrten ausgelegte Wasserfahrzeuge mit Muskelkraftantrieb erreichen bei hydrodynamisch optimierter Auslegung Geschwindigkeiten bis zu mehr als 30 km/h, allerdings nur über sehr kurze Fahrstrecken von rund 100 Meter. Im praktischen Sport-, Trainings- oder auch Tourenbetrieb wird die Reisegeschwindigkeit in jedem Fall geringer sein als beim Radfahren an Land, da der hydrodynamische Widerstand der Schwimmkörper auf jeden Fall größer ist als der Rollwiderstand eines Fahrrads. Ziel muß daher eine Auslegungsgeschwindigkeit sein, die unterhalb der Geschwindigkeit beim normalen Radsport liegt.
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Hieraus ergibt sich eine Einschränkung bei dem Ziel, eine Fortbewegung zu verwirklichen, die der Fortbewegung beim Radfahren an Land nahe kommt.
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Um diese Einschränkung teilweise auszugleichen und eine Auslegungsgeschwindigkeit zu erreichen, die der Geschwindigkeit des Radsports an Land näher kommt, gibt es mehrere Möglichkeiten:
Eine Möglichkeit ist, mehrsitzige Wasserfahrzeuge einzusetzen mit Antriebseinheiten vorzugsweise in Tandemanordnung oder auch in mehrfacher Tandemanordnung. Eine weitere bevorzugte Möglichkeit ist die Unterstützung des Antriebs durch einen elektromotorischen Hilfsantrieb. Es ist im Fahrradsport bekannt und verbreitet, elektromotorische Hilfsantriebe einzusetzen, bei denen elektronisch gesteuert abhängig vom muskulären Energieeinsatz zusätzlich elektrische Energie beigesteuert wird. Es wird vorgeschlagen, ein System einzusetzen, das, wie aus dem Fahrradsport grundsätzlich bekannt, einen gewissen, vorzugsweise einstellbaren Anteil der muskulär aufgewendeten Energie zusätzlich als elektrische Energie zuführt. Dadurch kann erreicht werden, dass eine Fortbewegung auf Wasser im gleichen Geschwindigkeitsbereich und eine Fortbewegungs- und Kurvenfahrtdynamik wie beim Straßenradsport erzielt wird, so dass durch den Sportler subjektiv keine Einschränkung durch eine gegenüber dem Straßenradsport erhöhte Widerstandskraft wahrgenommen wird.
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Die elektrische Antriebseinheit kann in die Schwimmereinheit des Wasserfahrzeugs integriert sein, so daß die elektrische Energie dem Antrieb für die Schiffschraube, den Impeller oder das Schaufelrad zugeführt wird oder sie ist der Antriebseinheit, also dem Fahrrad zugeordnet, beispielsweise identisch wie bei handelsüblichen Fahrrädern mit elektrischem Zusatzantrieb. Dabei können auch kommerziell erhältliche Zusatzantriebskits, bestehend aus Nabenmotor, Batterie und Steuereinheit eingesetzt werden, die optional an handelsüblichen Fahrrädern angebracht werden können, so daß die Verwendung eines elektrischen Zusatzantriebs nicht zwingend bei der Auslegung vorgesehen sein muß, sondern optional nachgerüstet werden kann. Das Fahrrad kann in diesem Fall als autarkes Elektrofahrrad oder Pedelec als Landfahrzeug eingesetzt werden.
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In einer Abwandlung des Wasserfahrzeugs mit elektromotorischem Zusatzantrieb kann auf eine mechanische Energieübertragung von der Antriebseinheit auf die Schiffschraube, den Impellerantrieb oder das Schaufelrad verzichtet werden. Stattdessen wird die Schiffschraube, der Impeller oder das Schaufelrad von einem Elektromotor angetrieben. Die elektrische Energie wird von einem Generator geliefert, der von der Antriebseinheit angetrieben wird.
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Zusätzlich wird elektrische Energie zum Betrieb des Elektromotors aus einer Batterie zugespeist.
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Der Generator kann wahlweise an Stelle des Hinterrades in die Hinterradgabel der Antriebseinheit eingebaut werden oder in der Art eines Rollentrainers an die Rolle gekoppelt werden, die vom Hinterrad der Antriebseinheit angetrieben wird. In letzterem Fall ersetzt der Generator einfach die bei Rollentrainern übliche Bremse. In dieser Ausführung bildet die Befestigungsvorrichtung für die Hinterradgabel zusammen mit der Rolle und dem Generator tatsächlich einen voll funktionsfähigen Rollentrainer, bei dem die Energieverschwendung durch die Bremse durch eine sinnvolle Energienutzung über den Generator ersetzt ist. Beide Ausführungsformen können als Trainingsgeräte betrieben werden, über den die Batterie geladen werden kann, wenn das Wasserfahrzeug nicht in Betrieb ist. Es ist einfach, diese Einheit aus Antriebseinheit, Befestigungsvorrichtung und Generator leicht von der Schwimmereinheit demontierbar zu gestalten, so dass das Trainingsgerät auch unabhängig von dem Wasserfahrzeug, beispielsweise in Wohnungen oder Turnhallen betrieben werden kann.
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Weitere Merkmale der Erfindung werden im Folgenden an Hand der 1–7 erläutert.
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1 zeigt eine erste Basisausführung des erfindungsgemäßen Wasserfahrzeugs (1). Das Wasserfahrzeug umfasst eine Antriebseinheit (10) und eine Schwimmereinheit (20). Gemäß 1 ist die Antriebseinheit ein vollständiges Fahrrad einschließlich Vorder- (112) und Hinterrad (122). Die Schwimmereinheit (20) besitzt alle Kennzeichen eines großvolumigen Windsurfboards mit der zusätzlichen Besonderheit einer Aufnahme für das Antriebselement (30) und einer Drehdurchführung (1122) für die Vorderradlenkung. Das Vorderrad 112 ist auf einer drehbaren Plattform (1121) montiert, die mit sich dem normalen Lenkausschlag des Fahrradlenkers (110 mitdreht. Diese Plattform (1121) ist auf einer Drehdurchführung (1122) durch die Schwimmereinheit (20) montiert. Auf dem Schaft (1123) der Drehdurchführung (1122) ist auf der Unterseite der Schwimmereinheit (20) die Lenkflosse (211) montiert.
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In der Ausführung nach 1 treibt das Hinterrad (122) der Antriebseinheit (10) die Antriebsrolle (4) eines Antriebselements (30) an. Von der Antriebsrolle (4) aus wird über ein Getriebe (41) die Schiffschraube (5) angetrieben.
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In 1 ist das wasserdichte Gehäuse (31) des Antriebselements (30) transparent dargestellt. Dadurch wird sichtbar, dass das Getriebe (41) als Kegelradgetriebe ausgeführt sein soll. Eine derartige Ausführung ist sinnvoll, es könnte aber auch ein Ketten-, Zahn- oder Flachriemenantrieb zum Einsatz kommen. An Stelle einer Schiffschraube (5) wäre denkbar, einen Impeller oder ein Schaufelrad einzusetzen. In einer Abwandlung der Ausführung gemäß 1 wäre ohne Weiteres möglich, die Ausführung der Lenkung einzusetzen, die in 2 dargestellt ist, also ein Lenksystem mit ausgebautem Vorderrad.
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2 zeigt eine alternative Basisausführung des erfindungsgemäßen Wasserfahrzeug (1). In dieser Ausführung sind beide Räder des Fahrrads ausgebaut. Es wäre aber auch denkbar, bei Ausführung des Antriebs gemäß 2 die Vorderradlenkung gemäß 1 mit eingebautem Vorderrad auszuführen. Die Schwimmereinheit (20) enthält eine Drehdurchführung (1122) für die Vorderradlenkung. Die Vorderradgabel (11) der Antriebseinheit (10) ist unmittelbar an dem Schaft (1123) angelenkt. Auf der Unterseite der Schwimmereinheit (20) ist eine Lenkflosse (211) an dem Schaft (1123) angelenkt und somit mit der Vorderradlenkung (110) drehbar. Das Hinterrad der Antriebseinheit (10) ist entfernt und stattdessen ist das Antriebsrad (40) des Antriebselements (30) in die Hinterradgabel (12) eingebaut. Von diesem Antriebsrad (40) aus wird über ein Getriebe die Schiffschraube (5) angetrieben. Das Getriebe ist in 2 nicht dargestellt. Es kann aber ebenso wie in 1 dargestellt ein Kegelradgetriebe oder ein Ketten oder ein Riemenantrieb verwendet werden.
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Die Antriebseinheit (10) kann leicht von der Schwimmereinheit (20) gelöst werden, beispielsweise, indem man das Antriebselement (30) von der Hinterradgabel (12) und den Schaft (1123) von der Vorderradgabel (11) durch Schnellverschlüsse trennt, wie sie sonst zur Befestigung von Hinter- und Vorderrädern verwendet werden. Die Antriebseinheit (10) kann dann mit Vorder- und Hinterrad ausgestattet und zum Radfahren an Land verwendet werden.
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Das Antriebselement (30) sitzt in einem Schacht (201) in der Schwimmereinheit (20) und ist von der Unterseite der Schwimmereinheit (20) her befestigt. Beispielshaft sind geeignete Positionen zur Befestigung über Schrauben oder Schnellverschlüsse durch gestrichelte Linien dargestellt (a, b). Nach Lösen dieser Schnellverschlüsse oder Schrauben kann das Antriebselement (30) leicht komplett nach unten aus dem Schacht (201) gezogen werden.
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Die Lenkflosse (211) kann leicht von dem Schaft (1123) gelöst werden. Der Schaft kann dann nach oben aus der Drehdurchführung (1122) gezogen werden. Die Schwimmereinheit (20) liegt dann vor in Form eines Windsurfboards mit zwei Öffnungen, die durch den Schacht (201) und die Drehdurchführung (1122) gebildet werden.
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3 zeigt, wie die Schwimmereinheit (20) leicht zu einem Windsurfer komplettiert werden kann.
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In den Schacht (201) wird von unten eine Finnenbox (50) eingesetzt und an den Positionen (a, b,), an denen sonst das Antriebselement befestigt ist, mit Schrauben oder Schnellverschlüssen befestigt. Die Finnenbox (50) bildet innerhalb des Schachts 201) einen geschlossenen Hohlraum, der optional genutzt werden kann. Die Finnenbox (50) könnte auf der Oberseite einen wasserdicht verschließbaren Deckel aufweisen, so dass man den Hohlraum als Gepäckfach nutzen könnte. Diese Möglichkeit ist nicht dargestellt. Dargestellt ist hingegen die Möglichkeit, auf der Oberseite der Finnenbox (30) eine Fußschlaufe (52) anzubringen.
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Günstig ist es auch, die Drehduchführung (1122) in der Schwimmereinheit (20) längsverschieblich anzubringen. Diese Möglichkeit ist nicht dargestellt, aber einfach zu realisieren. Dies hat den Vorteil, dass man bei der Ausführung als muskelkraftangetriebenes Wasserfahrzeug gemäß 1 und 2 die Möglichkeit zur Anpassung an verschiedene Geometrien der Antriebseinheit hat. Bei der Ausführung gemäß 3 übernimmt die Drehdurchführung (1122) die Funktion der Steckbuchse für die Befestigung des Mastfußes (73). Durch die Möglichkeit der Längsverschiebung dessen Position hat man die Möglichkeit zur Optimierung der Position des Surfriggs (70) in Längsrichtung der Schwimmereinheit (20).
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Gemäß 3 wird das Surfrigg (70) befestigt, indem man den Steckschaft (74) auf der Unterseite des Mastfußes (73) in die Drehdurchführung (1122) einführt. Das Ende des Steckschaftes (74) ragt aus der Unterseite des Schwimmkörpers aus der Drehdurchführung heraus und ermöglicht es, die Flosse (212) an diesem Ende festzulegen. Die Flosse (212) wird zusätzlich an der Position (c) an der Unterseite des Schwimmkörpers (20) festgelegt. Dies verhindert, daß sich diese Flosse (212) mit dem Steckschaft (74) mitdrehen kann.
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Zur Gestaltung der Befestigung des Surfriggs gibt es alternative Möglichkeiten: Ein Steckschaft kann auch so eingesteckt werden, dass er nicht auf der Unterseite der Schwimmereinheit hervorsteht und es kann auch nicht vorgesehen sein, dass an dessen Ende eine Flosse befestigt wird. Die Flosse kann auch unabhängig vom Mastfuß am Schwimmkörper befestigt werden. Außerdem ist eine derartige Flosse für Windsurfing überhaupt nicht zwingend erforderlich, vor allem dann nicht, wenn von der vorgeschlagenen Ausbildung eines oder mehrerer Kiele an der Unterseite des Schwimmkörpers Gebrauch macht.
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In 3 ist die untere Hälfte des Riggs (70) aus Platzgründen abgeschnitten dargestellt.
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Wenn man das Surfrigg weglasst, kann man die Schwimmereinheit auch hervorragend für Paddeln verwenden (moderner Begriff „SUP” = „Stand Up Paddeling”), auf Grund der Größe des Schwimmkörpers auch durch zwei Personen.
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Als Schwimmereinheit kann grundsätzlich ein normales, jedoch großvolumiges Windsurfbrett verwendet werden, das als Modifikation einen Schacht für den Einbau eines Antriebselements und eine Drehdurchführung für die Vorderradlenkung erhält. Eine derartige Schwimmereinheit gleitet bei den angestrebten Geschwindigkeiten durch hydrodynamischen Auftrieb. Ein Schwimmkörper in Gleitfahrt hat bei Kurvenfahrt von Haus aus die angestrebte Eigenschaft, sich sinnrichtig in die Kurve zu legen. Dieser Umstand ist in 4a in einem Querschnitt durch das Wasserfahrzeug dargestellt, Ursache für dieses Verhalten ist, dass sich die Bugwelle in Kurvenfahrt auf der Außenseite des Schwimmkörpers (20) anstaut. Auf der gegenüberliegenden Seite bildet sich das zugehörige Wellental.
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Es gibt allerdings eine Klasse moderner Surfbretter, die ähnlich ausgelegt ist wie der oder die Schwimmkörper des erfindungsgemäßen Wasserfahrzeugs, insbesondere Surfbretter für besonders gute Leistungen bei geringer Windgeschwindigkeit. Derartige Surfretter habe keine durchgehend flache Unterseite, sondern verfügen über einen bis zu 3 Kielen. Sie verfügen über eine große Fläche und auch über eine erhebliche Dicke.
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Bild 4b zeigt im Querschnitt eine bevorzugte Schwimmereinheit (20). Die Schwimmereinheit (20) soll auch langsame Verdrängerfahrt und Stillstand ohne Kippgefahr ermöglichen. Es soll außerdem möglich sein, auf dem treibenden Wasserfahrzeug auf das Fahrrad zu steigen. Außerdem soll es möglich sein, nach einem Kentern aus dem Wasser wieder auf das Wasserfahrzeug zu klettern und die Fahrt fortzusetzen. Dieser Anforderungen erfordern ein Gesamtvolumen der Schwimmereinheit (20), das eine Verdrängung von mindestens dem 1,5-fachen des Gewichts einschließlich der vorgesehenen Beladung verursacht. Weiterhin ist eine Breite erforderlich, die sich an sehr breiten Surfbrettern orientiert. Um eine große Kippstabilität zu erreichen, ist schließlich eine größere Dicke als bei üblichen Surfbrettern erforderlich. Um einer Kippbewegung ein hohes aufrichtendes Moment entgegenzusetzen, ist es erforderlich, dass sich das eintauchende Volumen auf der tiefer tauchenden Seite mit zunehmendem Kippwinkel möglichst stark erhöht. Das ist dann nicht mehr der Fall, wenn die Oberseite des Schwimmkörpers überspült wird. Durch eine ausreichende Bauteildicke kann dieses Überspülen bei relevanten Schräglagen vermieden werden.
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Es wird vorgeschlagen, dass sich der Querschnitt der Schwimmereinheit (20) nach unten hin verjüngt. Dies hat folgende Wirkungen: Die Schwimmereinheit (20) kann im Sinne einer Kippstabilität breit gestaltet werden. Die volle Breite taucht aber nur in gekippter Position auf der tiefer liegenden Seite ein. Der in Normalfahrt umspülte Körper ist aber deutlich schmaler und insbesondere in Verdrängerfahrt strömungsgünstiger, was insbesondere die Anfangsbeschleunigung und den Leistungsaufwand für den Übergang zur Gleitfahrt reduziert. Beim Kippen der Schwimmereinheit (20) wird die effektive Breite auf der nach unten gekippten Seite größer, was die Kippstabilität abermals erhöht.
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Für die aktive Steuerung der Schräglage ist die geringere wirksame Breite in Normalfahrt günstiger.
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Es ist bekannt, dass ein Kiel oder auch eine Dreikielanordnung geeignet ist, einen Schwimmkörper leichter und bei geringerer Geschwindigkeit in den Gleitzustand zu bringen. Ein Mittelkiel (20b) teilt die Bugwelle und sorgt für einen geringeren Stirnwiderstand im Übergang zur Gleitfahrt. Die beiden Seitenkiele (20c) alleine oder in Verbindung mit dem Mittelkiel (20b) bewirken eine höhere Position des Wasserfahrzeugs (1) und ein Luftpolster unter der Unterseite. Dieses verhindert einen Saugeffekt zwischen Wasseroberfläche und Schwimmereinheit (20) und bewirkt eine geringere Gleitreibung.
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Die zusätzliche Richtungsstabilität, welche die Kiele vermitteln, kommt dem Anwendungszweck des Wasserfahrzeugs zugute.
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Es wird daher vorgeschlagen, die Schwinnereinheit (20) entweder mit einem Mittelkiel (20b) oder Seitenkielen (20c) oder mit einer Anordnung aller drei Kiele oder auch mit einer Anordnung einer größeren Zahl von Längsrippen mit der Wirkung kleiner Kiele auszustatten.
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Das erfindungsgemäße Wasserfahrzeug kann durch Muskelkraftantrieb bei weitem nicht so schnell bewegt werden wie ein Fahrrad an Land, da der Strömungswiderstand im Wasser auf jeden Fall erheblich größer ist als der Rollwiderstand der Räder. Das Ziel der Erfindung, eine der Fortbewegung an Land ähnliche Fortbewegungsdynamik zu erreichen, ist also mit reiner Muskelkraft nicht wirklich erreichbar. Dies ist aber möglich, wenn die menschliche Muskelarbeit durch elektromotorische Energie unterstützt wird. Eine derartige Elektrounterstützung ist zum Zweck des müheloseren Fahrradfahrens im Fahrradsport in den letzten Jahren im großen Umfang eingeführt worden. Üblicherweise wird über eine elektronische Steuerung beim muskulären Tretantrieb des Fahrrads dieselbe Arbeit, die der Radfahrer muskulär leistet, zusätzlich über einen batteriebetriebenen Elektromotor beigesteuert. Grundsätzlich können aber auch andere elektrische Anteile, manche Steuerungen lassen dies zu, also beispielsweise auch ein Mehrfaches der muskulären geleisteten Arbeit beigespeist werden.
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Es wird vorgeschlagen, für das erfindungsgemäße Wasserfahrzeug eine Elektrounterstützung in der Art der Elektro-Fahrräder vorzusehen.
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In einfachster Lösung geschieht dies dadurch, dass bei der Lösung nach 1 an Stelle eines normalen Fahrrads ein Elektro-Fahrrad eingesetzt wird. Diese Lösung ist nicht separat gezeichnet.
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Auch bei der Lösung nach 2 ist eine Lösung durch ein handelsübliches Elektro-Fahrrad möglich, wenn man ein Elektro-Fahrrad verwendet, das über einen Tretlager-Motor verfügt.
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Die Elektrounterstützung kann aber auch in ein Antriebselement (612) integriert werden. Diese Lösung ist in 5 in einem Längsschnitt dargestellt. In 5 ist eine Vorderradlenkung wie in 2 dargestellt. Es könnte auch eine Vorderradlenkung nach 1 verwendet werden. An Stelle des Hinterrads ist ein Antriebsrad (61) in die Hinterradgabel der Antriebseinheit (10) eingesetzt. Dieses Antriebsrad (61) ist Bestandteil des Antriebselements (612). In ihm sitzt, wie bei einem Elektro-Fahrrad im Hinterrad, ein elektrischer Nabenmotor. Dieser Nabenmotor wird von einer Batterie (614) versorgt. Eine elektronische Steuereinheit (615) steuert die Energiezufuhr über den Nabenmotor. Der Antrieb der Schiffschraube (5) erfolgt über ein mechanisches Getriebe (613). Dieses Getriebe (613) ist als Kegelradgetriebe dargestellt, aber es könnte auch ein Riemen- oder Kettenantrieb verwendet werden.
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Der mechanische Antrieb mit elektrischer Unterstützung kann auch in Anlehnung an 1 ausgeführt sein, indem die Antriebsrolle (4) nicht unmittelbar ein mechanisches Getriebe antreibt, sondern zunächst ein Antriebsrad mit integriertem Nabenmotor.
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In einer weiteren Ausführungsform gemäß 6 kann der Propeller (5) nicht über einen mechanischen Antrieb, sondern durch einen Elektromotor (617) angetrieben werden. Er wird dennoch durch Muskelkraft angetrieben, denn die Energie für den Elektromotor wird durch einen elektrischen Generator (618) geliefert, der an Stelle des Hinterrades in die Hinterradgabel (12) eingesetzt und durch den mechanischen Antrieb der Antriebseinheit (10) angetrieben wird. Das Antriebselement (30, 30a) enthält kein mechanisches Getriebe, sondern nur eine elektrische Verkabelung (619, 619a) vom Generator (618) zum Elektromotor (617).
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Optional und im Sinne der vorgenannten Ausführungen bevorzugt kann aber aus einer elektrischen Batterie (614) Energie zusätzlich zur vom Generator (618) bereitgestellten Energie zum Betrieb des Elektromotors (617) zugespeist werden. Die Zuspeisung regelt eine elektronische Steuereinheit (615, 615a). Die Steuereinheit kann beispielsweise jeweils den gleichen Energiebetrag aus der Batterie (614) beisteuern, der auch vom Generator (618) geliefert wird. Diese würde generell der bei Elektrofahrrädern üblichen Batterieunterstützung entsprechen. Die elektronische Steuerung kann in diesem Fall eine ganz besonders einfache Verstärkerschaltung sein, weil ein elektrisches Eingangssignal vorliegt. Es kann aber auch jeder andere Verstärkungsfaktor gewählt und beispielsweise die Hälfte, das Doppelte oder das Dreifache der durch den Generator (618) gelieferten Energie aus der Batterie (614) zugespeist werden. Die Zuspeisung kann weiterhin über die externe Steuereinheit (615a) eingestellt werden. Grundsätzlich kann die elektrische Unterstützung durch die externe Steuereinheit (615a) auch deaktiviert werden oder so eingestellt werden, dass ein fester Energiebetrag aus der Batterie (615) geliefert wird, auf Wunsch auch unabhängig davon, ob durch Tretantrieb Generatorstrom geliefert wird. Das Wasserfahrzeug kann so auch als reines Motorboot betrieben werden. Beim Betrieb als reines Motorboot kann die Antriebseinheit optional ganz abgebaut, die externe Steuereinheit beispielsweise am Steuerschaft (1123) befestigt und das Wasserfahrzeug unmittelbar über den Steuerschaft (1123) gelenkt werden, Die Schwimmereinheit (20) ist gemäß 6 ganz anders ausgeführt als in allen 1 bis 5. Alle Antriebsausführungen gemäß 1 bis 5 wären aber ebenfalls mit der Ausführung der Schwimmereinheit gemäß 6 zu vereinbaren.
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Zusätzlich zur Schwimmereinheit (20) tragen gemäß 6 ein vorderer Schwimmer (21) und einen hinteren Schwimmer (22), beide ausgebildet als Tragflügel, das Wasserfahrzeug (1). Die beiden Tragflügel (21, 22) sind im Bereich der unteren Enden der Steuerflosse (211) und des Antriebselements (30a) angebracht und im Wesentlichen horizontal und im Wesentlichen senkrecht zur Anströmrichtung ausgerichtet. Die beiden Tragflügel (21, 22) sind so dimensioniert, dass sie geeignet sind, um das gesamte Wasserfahrzeug bei ausreichender Geschwindigkeit, die mit der zur Verfügung stehenden Antriebsleistung leicht in Verdrängerfahrt erreicht werden kann, vollständig zu tragen, also derart, dass die Schwimmereinheit (20) selbst vollständig aus dem Wasser aufgetaucht ist.
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Es müssen Einrichtungen vorgesehen sein, die sicherstellen, daß das Wasserfahrzeug in Tragflächenfahrt in gewünschter Höhe fährt, also derart, dass die Schwimmereinheit (20) einerseits nicht die Wasseroberfläche (A) berührt, andererseits keine Teile der Tragflügel (21, 22) aus der Wasseroberfläche (A) auftauchen, auch nicht in Kurvenfahrt. Nach dem Stand der Technik gibt es hierfür mehrere Möglichkeiten. Bevorzugt wird die Höhensteuerung über einen Trimmschwimmer (26). Dieser Trimmschwimmer (26) ist über ein Gestänge (261) an der Lenkflosse (211) befestigt. Die Lenkflosse (211) selbst ist um die Achse (262) drehbar. Bei Drehung um die Achse (262) verändert sich der Anstellwinkel der an der Lenkflosse starr befestigten vorderen Tragfläche (21). Schwimmt das Wasserfahrzeug tief, beispielsweise noch in Verdrängerfahrt, so schwimmt der Trimmschwimmer (26) hoch, maximal anliegend an der Unterseite der Schwimmereinheit (20). Dann ist der Anstellwinkel der Tragfläche (21) maximal hoch und sie liefert den größtmöglichen Auftrieb. Wenn das Wasserfahrzeug (1) sehr hoch schwimmt, so daß die Tragflächen (21,22) nahe zur Wasseroberfläche kommen, dann schwimmt der Trimmschwimmer (26) tief. Der Anstellwinkel des Tragflügels (21) ist dann klein und er liefert nur noch sehr geringen Auftrieb. Dadurch sinkt das Wasserfahrzeug (1) insgesamt tiefer.
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Die Schwimmereinheit kann grundsätzlich ausgeführt sein, wie anhand von 4b erläutert. Es ist jedoch keine Optimierung der Schwimmereinheit (20) für die Gleitfahrt erforderlich, da die Schwimmereinheit (20) bei Gleitfahrt aus der Wasseroberfläche (A) aufgetaucht ist.
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Die Vorderradsteuerung ist gemäß 6 im Übrigen ausgeführt wie in 2.
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Das Antriebselement (30, 30a) ist gemäß 6 zweigeteilt ausgeführt. Ein Teil (30), der zugleich als Befestigungselement für die Antriebseinheit dient, wird auf der Oberseite, der zweite Teil (30b), der zugleich Träger für die hintere Tragfläche (22) ist, auf der Unterseite der Schwimmereinheit (20) befestigt. Beide Teile sind durch einen Kabelkanal (301) verbunden. Diese Zweiteilung ist sinnvoll, da eine einteilige Einheit (30, 30a) durch die angebaute Tragfläche (22) recht komplex und unhandlich wäre. Insbesondere ist diese Zweiteilung aber erforderlich, wenn man die Möglichkeit nutzen will, gemäß 7 das Antriebselement (30) in Verbindung mit der Antriebseinheit (10) als stationäres Trainings- und Energieversorgungsgerät zu nutzen.
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Gemäß 7 ist das Antriebselement (30) in der Ausführung, die in 6 dargestellt wird, gemeinsam mit der Antriebseinheit (10) von der Schwimmereinheit (20) gelöst und auf einem Grundgestell (8) befestigt. Die Vorderradlenkung ist durch die Festlegung der Vorderradgabel (11) auf dem Grundgestell (8) blockiert. Die dargestellte Einheit bildet so ein stationäres Trainingsgerät („Rollentrainer”). Anders als bei Rollen-Trainingsgeräten üblich wird zur Energieaufnahme keine einstellbare Bremse eingesetzt, sondern der elektrische Generator (618). Dieser ermöglicht über die elektronische Steuereinheit (615) das Laden der Batterie (614). Über einen elektrischen Ausgang (nicht dargestellt) aus dem Antriebselement (30) ist auch eine externe Batterie zu laden oder ein beliebiger externer elektrischer Verbraucher zu versorgen.
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In allen in 1, 2, 5, 6 dargestellten Ausführungen kann an Stelle der dargestellten Schiffschraube (5) wahlweise auch ein Impeller oder ein Schaufelrad verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5088944 [0003, 0003]
- US 5626501 [0004, 0005]
- DE 19606365 [0005, 0005]
- US 5387140 [0006]
- US 6309263 [0008]