Unterwasser-Tragfläche für ein Wasserfahrzeug

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Unterwasser-Tragfläche für ein Wasserfahrzeug, insbesondere ein Wassersportgerät, mit einem äußeren, das Profil der Tragfläche ausbildenden Formkörper aus zumindest einem Material erster Art mit einer ersten Härte und mit zumindest einer in der Unterwasser- Tragfläche angeordneten Mastaufnahme sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Unterwasser-Tragflächen bzw. -Tragflügel gemäß der vorliegenden Erfindung werden im allgemeinen Sprachgebrauch auch als Hydrofoils bezeichnet und im Wassersportbereich sowohl zur Verwendung beim Kitesurfen als auch zur Verwendung mit Windsurf-Segeln mit speziell für den jeweiligen Zweck ausgelegten Windsurf-Brettern oder Kitesurf-Brettern immer populärer. Der Zweck und der große Vorteil der Unterwasser- Tragfläche liegt bei diesen als Foilen bekannten, neuen Sportarten darin, dass die Unterwasser-Tragfläche aufgrund ihres Profils in der Lage ist, ab einer gewissen Geschwindigkeit des Surfbretts, an der die Unterwasser- Tragfläche mit einem Mast in die Tiefe des Wassers ragend montiert ist, das Surfbrett und den darauf stehenden Surfer aus dem Wasser zu heben, wodurch es wie bei Tragflügelbooten und -schiffen zu einem dramatischen Abfall des Widerstands des entsprechenden Wassersportgeräts kommt. Aus diesem Grund ermöglichen Hydrofoils windgetriebenen Wasserfahrzeugen schon bei geringsten Windstärken erstaunlich hohe Geschwindigkeiten. Hierdurch erfährt der Mast, der als Finne des Surfbretts wirkt, eine starke Führung im Wasser, wodurch es erst ermöglicht wird, effektiv am Wind zu fahren und dadurch Höhe am Wind zu halten oder zu gewinnen. 2

Insbesondere der Sport des Kitesurfens erfreut sich aufgrund einer im Vergleich zum Windsurfen anfangs eher flachen Lernkurve zunehmender Beliebtheit. Aus diesem Grund können immer öfter auch eher unerfahrene Wassersportler Hydrofoils benutzen. Trotz der relativ leichten Erlernbarkeit des Sports geht jedoch auch vom Kitesurfen eine Vielzahl von Risiken aus, die von Amateuren häufig unterschätzt werden. So besteht bei den von den Kitebrettern beziehungsweise Surfbrettern aufgrund des Masts abstehenden Hydrofoils aufgrund der hohen Anforderungen an die Biege- und Torsionssteifigkeit und der daraus resultierenden hohen Festigkeit der eingesetzten Materialien im Falle unsachgemäßen Umgangs und insbesondere im Fall von Stürzen ein nicht zu vernachlässigendes Risiko, dass sich ein Sportler stumpfe Verletzungen am Hydrofoil zuzieht. Häufig kommt es auch zu Schnitt- und Stichverletzungen, die sich ein Sportler oder auch ein Unbeteiligter an aus strömungstechnischen Gründen dünn und scharf auslaufenden Spitzen und Kanten des Hydrofoils zuziehen kann.

Die Hydrofoils müssen, wie bereits erwähnt, hohen mechanischen Anforderungen genügen und sind daher in der Anschaffung keineswegs als billig zu bezeichnen. Hochentwickelte Werkstoffe und hochwertige Steck- und Schraubverbindungen sowie aufwendige Herstellungsverfahren führen zu hohen Kosten, sodass insbesondere dann, wenn Hydrofoils im Leihgeschäft verliehen werden sollen, Schäden an den Hydrofoils durch unsachgemäße Behandlung einen in der Kostenplanung eines Verleiher bedeutenden Faktor einnehmen können. Hinzu kommt, dass gerade im Leihgeschäft tendenziell eher Sportler anzutreffen sein werden, die den Sport nur sporadisch ausüben und daher in der Regel über wenig Erfahrung verfügen. Gerade in diesem Bereich erscheint es daher sinnvoll, sowohl Sportler als auch Gerät zu schützen. 3

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Unterwasser-Tragfläche dergestalt auszubilden, dass zum einen das Verletzungsrisiko für den Sportler als auch das Risiko von Beschädigungen der Unterwasser-Tragfläche verringert werden, wobei jedoch die hydrodynamische Performance des Hydrofoils weitgehend unbeeinträchtigt bleiben soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die vorliegende Erfindung ausgehend von einer Unterwasser-Tragfläche der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass diese weiters eine Stützstruktur aus zumindest einem Material zweiter Art mit einer zweiten Härte aufweist und der Formkörper an die Stützstruktur angeformt ist und die Stützstruktur vollständig umgibt, wobei die zweite Härte größer ist als die erste Härte. Dies bedeutet, dass die Unterwasser-Tragfläche, die im Folgenden auch als Hydrofoil bezeichnet wird, außen aus einem relativ weichen Material besteht, wodurch Verletzungen des Sportlers aber auch Brüche und Absplitterungen am Hydrofoil beispielsweise durch dessen Aufliegen an einem steinigen Strand weitgehend vermieden werden können. Da aber das Material erster Art eine relativ geringe Härte aufweist, ist es nicht geeignet, die überaus großen hydrodynamischen Kräfte aufzunehmen, wodurch sich die Unterwasser-Tragfläche verwinden würde. Dies ist immer mit einem enormen Performanceverlust des Hydrofoils verbunden und muss daher durch das Vorsehen der Stützstruktur aus zumindest einem Material zweiter Art mit einer zweiten Härte kompensiert werden, die aber gänzlich in dem Material erster Art aufgenommen ist. Da der Formkörper an die Stützstruktur angeformt ist, werden die auf den Formkörper und somit auf das Hydrofoil einwirkenden Kräfte auf die Stützstruktur übertragen, sodass übermäßige Verformungen des 4 weichen Formkörpers weitgehend vermieden werden können. Auf diese Weise wird eine verletzungssichere und beschädigunsresistente Unterwasser-Tragfläche geschaffen, die dennoch eine sehr gute hydrodynamische Performance aufweist.

Um die Anbringung der Unterwasser-Tragfläche an einem Wassersportgerät zu ermöglichen, umfasst diese erfindungsgemäß eine Mastaufnahme. Zur Befestigung des Mastes an der erfindungsgemäßen Unterwasser-Tragfläche befindet sich die Mastaufnahme an der Oberseite (Saugseite) der Tragfläche bzw. des Tragflügels, damit die Tragfläche im Gebrauch mehr oder weniger horizontal im Wasser zu liegen kommt, um entsprechenden Auftrieb zu erzeugen.

Die Wahl des Materials der ersten Art ist sowohl für die Biege- und Verwindungssteifigkeit des Formkörpers und damit für das hydrodynamische Verhalten als auch für dessen relative Nachgiebigkeit zur Vermeidung von Verletzung einerseits und von Absplitterungen andererseits von großer Bedeutung. Die vorliegenden Erfindung ist daher bevorzugt dahingehend weitergebildet, dass das zumindest eine erste Material ausgewählt ist aus einem oder mehreren aus der Gruppe bestehend aus Elastomeren für den Spritzguss, Polyurethan- Werkstoffen, Silikon-Werkstoffen, Ethylen-Propylen-Dien- Kautschuk und Acrylnitril-Butadien-Kautschuk. Diese Materialien lassen sich gut mit im Stand der Technik bekannten Methoden formen und gegebenenfalls nachbearbeiten und bieten einen guten Kompromiss zwischen Festigkeit für das hydrodynamische Verhalten und Nachgiebigkeit zur Vermeidung von Verletzungen.

Bevorzugt weist das zumindest eine erste Material eine Shore A-Härte von 40 bis 90, bevorzugt 60 bis 80, insbesondere 5 bevorzugt 65-75 auf. Je härter das Material ist, beispielsweise mit einer Härte von Shore A 90, desto besser ist das hydrodynamische Verhalten. Je weicher das Material ist, beispielsweise mit einer Härte von Shore A 40, desto besser wird der Verletzungsschutz und auch die Tendenz zu Beschädigungen des Hydrofoils berücksichtigt. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung hat sich eine Shore A-Härte von vorzugsweise 65-75 als brauchbarer Kompromiss zwischen diesen beiden einander entgegenstehenden Anforderungen erwiesen.

Um bei noch sehr gutem Verletzungsschutz bereits mit dem relativ weichen Formkörper eine gute hydrodynamische Performance des erfindungsgemäßen Hydrofoils zu erzielen, kann der Formkörper unterschiedliche Bereiche aus unterschiedlichen Materialien der ersten Art umfassen, wie dies einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht. So können Ausläufer der erfindungsgemäßen Unterwasser-Tragfläche in gewissen nicht randständigen Bereichen Bereiche aus einem Material der ersten Art beispielsweise mit einer Shore A-Härte von beispielsweise 90 gefertigt sein, um in dem Formkörper selbst für erhöhte Festigkeit gegen Biegen und Verwindungen zu gewährleisten.

Das Material der zweiten Art für die Stützstruktur hingegen muss bei möglichst geringem Gewicht möglichst gute mechanische Eigenschaften aufweisen, um die Tendenz zur Verformung des weichen Formkörpers auszugleichen. Die vorliegende Erfindung ist in diesem Zusammenhang bevorzugt dahingehend weitergebildet, dass das zweite Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus faserverstärkten, insbesondere glasfaserverstärkten Kunstoffen, kohlenstofffaserverstärkten Kunstoffen, Stahl,, Edelstahl und Aluminium. Diese Materialien 6 weisen eine bedeutend größere Härte auf als die Materialien der ersten Art und können die auftretenden Lasten aufnehmen.

Bei der vorliegenden Erfindung wird besonderes Augenmerk darauf gelegt, die Ränder und Kanten der erfindungsgemäßen Unterwasser-Tragfläche weich und nachgiebig zu gestalten. Dies bedeutet aber wiederum einen Kompromiss, da gerade die Ränder und Kanten dünn und damit verformungsanfällig, gleichzeitig aber für die hydrodynamische Performance von großer Bedeutung sind. Aus diesem Grund sind beispielsweise die Tragflächenspitzen in der Regel zu Winglets ausgeformt, um ungünstige Verwirbelungen des Wassers abzuleiten. Um aber dennoch eine ausreichende Stabilität zu erreichen, ist die Erfindung bevorzugt dahingehend weitergebildet, dass sich die Stützstruktur über einen Bereich von mindestens 60%, mindestens bevorzugt 70%, weiter bevorzugt mindestens 80%, insbesondere bevorzugt mindestens 90% der Spannweite der Unterwasser-Tragfläche erstreckt.

Grundsätzlich kann es ausreichend und vorgesehen sein, dass die Stützstruktur frei im Formkörper aufgenommen ist. In der Regel ist es jedoch vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Stützstruktur mit der zumindest einen Mastaufnahme verbunden ist, wie dies einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht. Auf diese Weise stützt sich die Stützstruktur ihrerseits an der zumindest einen Mastaufnahme und in der Folge am Mast ab, wodurch der Verformung des Formkörper entgegengewirkt wird.

Bevorzugt besteht die Stützstruktur aus einer Mehrzahl von Stäben, Platten und/oder Ringen. Aus diesen Elementen kann eine Stützstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut werden, wobei gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung Stäbe, Platten und Ringe unabhängig vom Formkörper miteinander verbunden sein können. Die Verbindung kann hierbei durch Verschrauben, Verschweißen,

Löten oder dergleichen erfolgen. Die Stäbe, Platten und/oder Ringe können gegebenenfalls abgeflacht sein. Ringe können gegebenenfalls auch zu elliptischen oder im Vergleich zur Ringform abgeflachten Formen ausgebildet sein.

Eine alternative und bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht hierzu vor, dass die Stützstruktur einstückig aus dem zweiten Material gefräst ist. Die Stützstruktur wird hierbei beispielsweise mittels einer CNC-Fräse aus einem Aluminiumblock gefräst.

Um eine dauerfeste Verbindung von Formkörper und Stützstruktur zu gewährleisten, kann die vorliegende Erfindung bevorzugt dahingehend weitergebildet sein, dass die Stützstruktur zumindest teilweise mit einer haftvermittelnden Schicht beschichtet ist.

Das Vorsehen eines relativ weichen Formkörpers eröffnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit, der Unterwasser-Tragfläche auch mit aktiven, gegebenenfalls digital automatisierten Steuerfunktion auszustatten. Die erfindungsgemäße Unterwasser-Tragfläche kann daher gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dergestalt weitergebildet sein, dass die Stützstruktur durch eine Mehrzahl von beweglichen Leitelementen ergänzt wird, die bevorzugt durch den Formkörper durchdringende Anlenkungselemente oder durch im Formkörper angeordnete Hydraulikelemente bewegbar sind. Die Leitelemente sind aus einem Material der zweiten Art ausgebildet und weisen daher eine hohe Festigkeit auf. Bei entsprechender Auslenkung der 8

Leitelemente wird auch der Formkörper ausgelenkt, wodurch eine Steuerung der Auftriebseigenschaften des Hydrofoils bewirkt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte :

Bereitstellen einer Stützstruktur aus zumindest einem Material zweiter Art mit einer zweiten Härte, wobei zumindest eine Mastaufnahme im Bereich der Stützstruktur angeordnet wird

Anformen eines Formkörpers aus zumindest einem Material erster Art mit einer ersten Härte.

Bevorzugt erfolgt das Anformen durch Gießen des ersten Materials in eine die Stützstruktur enthaltende Form mit einem ersten Material ausgewählt aus einem oder mehreren aus der Gruppe bestehend aus Elastomeren für den Spritzguss, Polyurethan-Werkstoffen, Silikon-Werkstoffen, Ethylen- Propylen-Dien-Kautschuk und Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, wobei bevorzugt das Gießen unterschiedlicher Bereiche des Formkörpers aus unterschiedlichen Materialien der ersten Art erfolgt .

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In dieser zeigen Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Unterwasser-Tragfläche, Figur 2 eine Stützstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Figur 3 eine Stützstruktur gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform, Figur 4 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Unterwasser-Tragfläche teilweise im Schnitt und Figur 5 eine mit Leitelementen ergänzte Stützstruktur . 9

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Unterwasser-Tragfläche mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die Unterwasser-Tragfläche 1 weist eine Anströmkante 2 und eine Flügelhinterkante 3 auf und ist mittels einer Mastaufnahme 4 an der Oberseite (Saugseite) der Tragfläche bzw. des Tragflügels mit einem in den Figuren nicht dargestellten strömungsgünstigen Mast verbindbar. In Fig. 1 ist weiters vor allem der das Profil der Unterwasser- Tragfläche ausbildende Formkörper 5 ersichtlich, der den Hauptkörper sowie die Oberfläche der Unterwasser-Tragfläche ausbildet. Die Flügelspitzen sind mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet .

Eine Stützstruktur 7 ist in Figur 2 in perspektivischer Ansicht dargestellt. Die Mehrzahl von Stäbe 8, Platten 9 und Ringe 10 der Stützstruktur 7 ist in dieser Ausführungsform mit der mittig in der Stützstruktur 7 angeordneten Mastaufnahme 4 verbunden. Ebenso ist die Stützstruktur mit der Mastaufnahme 4 verbunden. Es wäre aber auch denkbar, dass die Stützstruktur nicht mit der Mastaufnahme 4 verbunden ist und frei im Formkörper 5 liegt. Weiters ist es denkbar, dass eine Mehrzahl von Mastaufnahmen, bevorzugt zwei Mastaufnahmen vorgesehen sind.

In Fig. 3 ist eine Stützstruktur 7 gezeigt, die einstückig aus dem Material zweiter Art gefräst ist. Die Stützstruktur 7 weist zur besseren Verbindung mit dem Formkörper Ausnehmungen 11 auf.

In Fig. 4 ist zu erkennen, dass der Formkörper 5 an die Stützstruktur 7 angeformt ist, wodurch hydrodynamische Kräfte vom Formkörper 5 auf die Stützstruktur 7 übertragen und von dieser aufgenommen werden. 10

In Figur 5 ist die Stützstruktur 7 durch Leitelemente 12 ergänzt, die durch entsprechende Anlenkungselemente 13 bewegbar sind. Ein Formkörper 5 wird dadurch in diesem Bereich mit verformt, wodurch die Auftriebseigenschaften der erfindungsgemäßen Unterwasser-Tragfläche beeinflusst werden können. Dies ermöglicht eine aktive Steuerung der Unterwasser- Tragfläche .