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Reibungsgyroskop.
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eine beständige Berichtigung der Winkellage des über mehrere Freiheitsgrade verfügende Kreisels selbsttätig herzustellen. Diese Mittel verursachen jedoch weder Rückwirkungskräfte noch innere Reibungs- kräfte, die die Berichtigung des Arbeitens in dem besonderen Falle beeinträchtigen, dass die Aufhängung nur einen einzigen Freiheitsgrad besitzt, z. B. im Falle eines Geschwindigkeitsmessergyroskops.
Die Bauweise dieser Kreiselgeräte ist unabhängig von der Art des für den Antrieb der sich drehenden Masse verwendeten Motors. Die Anwendung dieser Kreiselgeräte macht es keinesfalls erforderlich, eine besondere Speiseleitungsanlage einzurichten.
Gemäss der Erfindung wird die Kreiselmasse um ihre Drehachse auf einem Träger in Drehung versetzt, der selbst mittels einer üblichen Aufhängevorrichtung mit einem oder mehreren Freiheitgraden an einem Grundgestell oder einer Wiege aufgehängt ist, auf der anderseits ein drehbares Organ gleichfalls um diese Drehachse in Drehung versetzt wird, das einen sich ausbreitenden Teil besitzt, dessen äussere Oberfläche teilweise kugelförmig oder nahezu kugelförmig ist, und der im Innern eines Hohlraumes untergebracht ist, welcher in dem Kreiselkörper ausgespart ist, u. zw.
ohne Berührung zwischen diesem und dem sich ausbreitenden Teil, wobei der Mittelpunkt des kugelförmigen Teiles genau mit dem Punkt übereinstimmt, in welchen die Gelenkachse oder die Gelenkachsen des Aufhängungssystems und die Drehachse der Kreiselmasse zusammentreffen.
Dieser Kreiselkörper weist ferner eine Anzahl von Bürsten oder Reibungselementen auf, die senkrecht oder nahezu senkrecht auf den kugelförmigen Teil des drehbaren Organs zu gerichtet sind, und gegen diesen Teil beständig durch Federn gedrückt werden, welche in geeigneten Ausnehmungen des Kreiselkörpers zweckmässig untergebracht sind.
Das kugelförmige oder teilweise kugelförmige drehbare Organ kann auf jede geeignete Weise durch einen Motor beliebiger Bauart in Drehung versetzt werden, der entweder unmittelbar auf dem erwähnten Grundgestell oder der Wiege befestigt ist oder auf einem Hilfsrahmen angebracht ist, auf dem in diesem Falle das erstgenannte Gestell in Drehung versetzt wird, wenn man, wie es in bestimmten besonderen Fällen von Interesse ist, diesem erstgenannten Grundgestell bzw. dieser Wiege und hiedurch der Aufhängung der Kreiselmasse eine verhältnismässig langsame gesonderte Bewegung um die Achse dieses Grundgestelles oder dieser Wiege erteilen will, die auch die Drehachse des drehbaren Organs ist.
Infolge des durch die Reibungselemente auf den kugelförmigen Teil ausgeübten Druckes entsteht zwischen diesen Teilen eine Reibungsmitnahmewirkung, die die Drehung der Kreiselmasse bestimmt und weiter unterhalt.
Eine Anpassung dieser Mitnahmewirkung an den bei der einzuleitenden und aufrechtzuerhaltenden ständigen Regelung der Drehung der Kreiselmasse eintretenden Bedarf ergibt sich selbsttätig vermöge der Wirkung der Zentrifugalkraft, die auf die Bürsten oder Reibungselemente einwirkt ; diese Wirkung bringt, da sie den Druckfedern nach Massgabe der Geschwindigkeit entgegenwirkt und deren Druckkräfte mehr oder weniger vermindert, eine. entsprechende Verminderung auch der Reibungskräfte und damit des Betrages der Mitnahmekräfte mit sich.
Vermöge dieser fortschreitenden Verminderung der Mitnahmewirkung wird die Winkelgeschwindigkeit der Kreiselmasse auf den Betrag begrenzt, für den praktisch Gleichgewicht zwischen der Wirkung der Zentrifugalkraft an den Reibungselementen und dem Druck der Federn besteht, u. zw. obwohl die Mitnahmewinkelgeschwindigkeit des kugelförmigen Elementes durch den Antriebsmotor mit einem merklich höheren Wert aufrechterhalten wird.
Die Reibungsflächen werden daher zum Sitze verschieden gerichteter Wirkungen, deren Meridiankomponenten in bezug auf die Kreiselmasse gegebenenfalls ein langsames und beständiges Zurückstellen der Achse dieser Kreiselmasse nach der im betrachteten Augenblick vorliegenden Drehachse des kugelförmigen Elementes hin hervorrufen.
Die langsame, dem Grundgestell und damit dem Aufhängesystem, das es trägt, erteilte Drehbewegung bringt es mit sich, dass die Abweichungen des Gyroskops, die aus einer Unvollkommenheit der Herstellung des Gleichgewichtes hervorgehen könnten, praktisch unschädlich gemacht werden, weil infolgedessen der taumelnde Körper nacheinander alle Azimuthe durchläuft.
Die gemäss der Erfindung gebauten Gyroskope können ferner den Vorteil eines geringen Raumbedarfs aufweisen, da ihr Gelenkaufhängungssystem leicht innerhalb des kugelförmigen Gelenkes untergebracht werden kann.
Nachstehend werden drei Ausführungsformen der Erfindung, die drei verschiedenen Arten der Verbindung des eigentlichen Gyroskops mit dem Grundgestell, das den Stator des Antriebsmotors trägt, entsprechen, beispielsweise beschrieben, u. zw. zeigt :
Fig. 1 einen Achsschnitt nach der Linie 1-1 der Fig. 2, die eine Vorrichtung darstellt, deren Aufhängung nur eine einzige Drehachse aufweist ; Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 11-11 der Fig. 1 ; Fig. 3 einen Achsschnitt nach der Linie 111-ici der Fig. 4, die eine Vorrichtung darstellt, deren Auf- hängung zwei Drehachsen besitzt ; Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 3 ;
Fig. 5 einen Schnitt längs den beiden durch die Achse gelegten Ebenen V-V der Fig. 6, der eine Vorrichtung darstellt, bei der das Grundgestell oder die Wiege selbst derart gelagert ist, das ihr mit langsamer Geschwindigkeit eine Drehbewegung erteilt werden kann, und Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 5, wobei Teile weggelassen sind.
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Wie aus den Figuren ersichtlich, wird die Kreiselmasse um ihre Drehachse auf einem Träger 2-2' in Drehung versetzt, der selbst entweder (im Falle einer einzigen Gelenkachse gemäss Fig. 1 und 2) unmittelbar oder (gemäss Fig. 3,4, 5 und 6) an einem Kardangelenk mittels eines Rahmens 3 an einem
Grundgestell oder einer Wiege 4-4'aufgehängt ist.
Auf diesem Grundgestell wird anderseits entweder mittels der Welle 9 eines Motors 10 (Fig. 1 und 3) oder mittels eines zylindrischen Schaftes 5' (Fig. 5) eine Muffe 5 mit kugelförmiger Oberfläche in Drehung versetzt, die die Rolle eines Rotors übernimmt.
Die Kreiselmasse 11'besitzt drei Reibungselemente 6, die in radialen Ausnehmungen 6'angeordnet sind, in denen sie gleiten können, im Innern dieser Ausnehmungen angebrachte Druckfedern 7 wirken dahin, beständig Berührung der Reibungselemente mit der kugelförmigen oberen Oberfläche der Muffe oder des Rotors 5 aufrechtzuerhalten.
An dem Grundgestell 4 ist eine Schnur 8 angebracht, die aus plastischem oder elastischem Werkstoff besteht und ein Anschlagorgan zur Begrenzung der Winkelversehiebungen des Trägers 2-2' bildet.
Das Grundgestell 4-4'kann selbst (s. Fig. 5) mittels einer Welle 11 in Drehung versetzt werden, die mit ihm einstückig zusammenhängt und in einem Hilfsgrundgestell12 drehbar ist, das auch den Stator des Antriebsmotors 13 trägt, der in diesem Falle den Motor 10 der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ersetzt. In diesem Falle sind auf der Welle 14 des Motors 13 Zahnräder 15 und 16 befestigt, von denen das erstgenannte mit einem Zahnkranz 17 des Schaftes 5'der Muffe 5, und das zweitgenannte mit einem Zahnrad 18 kämmt, das auf einer Welle 11 des Grundgestelles 4 aufgekeilt ist.
Bei den hier beschriebenen Ausführungsformen wird der Motor durch das Kräftepaar von Gegenkräften belastet, die durch die Reibung der Bürsten 6 an dem kugelförmigen Teil der Muffe 5 entstehen.
Die Kreiselmasse 11'wird mit einer Drehbewegung mitgenommen, deren Geschwindigkeit erst dann anzuwachsen aufhört, wenn die auf die Bürsten entgegen der Spannung der Federn 7 wirkende Zentrifugalkraft den Betrag dieses Kräftepaares auf den Betrag des Kräftepaares der passiven Widerstandskräfte (Luftwiderstand gegen die Drehung der Masse und mechanische Reibung der drehbar gelagerten Organe) verringert hat.
Auf diese Weise erhält man selbsttätig eine genaue Begrenzung der Drehgeschwindigkeit der Kreiselmasse, wobei die mit der kugelförmigen Oberfläche versehene Muffe 5 sich schliesslich mit der höchsten Geschwindigkeit dreht, die ihr durch die vom Motor ausgehende Beeinflussung erteilt wird.
Die Verschiedenheit der Tangentialgeschwindigkeiten der beiden Elemente verursacht ein beständiges Gleiten der Bürsten, die daher Reibungskräften wechselnder Richtung unterworfen werden, sobald die Drehachse der Masse 1-1'und die Drehachse der Muffe 5 aus irgendeinem Grunde nicht mehr die gleiche Richtung besitzen.
Diese Reibungskräfte wechselnder Richtung rufen ein Kräftepaar von Tangentialkräften hervor, dessen eine Komponente die Geschwindigkeit der Kreiselmasse unterhält und dessen andere Komponente, die im Falle, dass die Aufhängung des Trägers 2-2'nur einen einzigen Freiheitsgrad besitzt (Fig. 1 und 2), praktisch ohne Einfluss ist, die Wiederaufrichtewirkung", wie oben erwähnt wurde, d. h. das beständige Zurückstellen der Drehachse der Kreiselmasse in die Richtung der Drehachse der Muffe 5 hervorruft, wenn die Aufhängung des Gehäuses mehrere Freiheitsgrade besitzt (Fig. 3,4, 5 und 6).
Diese Wirkung der Reibungskräfte wechselnder Richtung bringt es einerseits mit sich, dass die
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Hieraus ergibt sich, dass trotz Winkelverschiebungen mehr oder weniger grossen Betrages und jeder Ordnung das Grundgestell 4, das gewöhnlich Schwingungen unterworfen ist, die von dem System ausgehen, dem es angehört (Pendelsystem an Bord, auf einem Schiffsrumpf, auf einem Flugzeugrumpf od. dgl.), die Achse der Kreiselmasse selbst in bezug auf ihre Richtung nur äusserst langsame Ver- änderungen erfährt, die beständig nach der augenblicklichen Richtung der Achse des mit dem Grundgestell 4 verbundenen Rotors 5 ausgerichtet sind, und dass infolgedessen diese Kreiselmasse praktisch keine Zeit hat, sich merklich aus der mittleren"oder theoretischen"Lage der Rotorachse J zu entfernen und somit fähig wird, als befriedigendes Bezugssystem zu dienen.
In dem Falle jedoch, dass die Aufhängung des Kreiselteiles 1-1', 2-2'einen Gleichgewichtsfehler in bezug auf seinen Mittelpunkt aufweist, der sein Gelenkmittelpunkt ist, kann die Wiederaufrichtewirkung nicht vollständig sein, weil sie sich aufhebt, sobald die sie erzeugende Komponente aufhört grösser zu sein als das das Taumeln bewirkende Kräftepaar, das aus dem vorerwähnten Gleichgewichtsfehler hervorgeht.
Um diesem Übelstande zu begegnen, wird gemäss der Erfindung für bestimmte Anwendungsfälle als zweckmässig angesehen, die Richtung des taumelnden Körpers langsam, regelmässig und beständig zu variieren, d. h. das gesamte Grundgestell 4 zusammen mit dem Aufhängesystem langsam in Drehung zu versetzen, wozu der Antriebsmotor der Muffe oder des Rotors 5 (s. Fig. 5) verwendet wird.
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Es ist zu bemerken, dass die gemäss der Erfindung ausgeführten Vorrichtungen vollkommene Gyrostaten darstellen, die den gewöhnlichen Gyrostaten mit aufgehängtem Gehäuse vollkommen gleichwertig sind, jedoch der berechtigten Kritik nicht unterliegen, die gegen jene einfachen Kreisel ausgesprochen worden ist, bei denen das Aufhängungssystem der Kreiselmasse lediglich aus einem kugelförmigen Gelenkzapfen und Drehzapfen besteht, der eines der Elemente einer Reibungskupplung bildet.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Gyroskop, bei dem die Kreiselmasse das angetriebene Glied einer Reibungskupplung bildet, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl dieses angetriebene Glied (1, 1') als auch das treibende Glied (5) der Kupplung jedes für sich unabhängig vom andern um seine eigene Achse gedreht werden kann, u. zw. das angetriebene Glied (1, 1') auf einem sein gesamtes Gewicht tragenden Träger (2-2'), und das treibende Glied auf einem Grundgestell (4), wobei Träger und Grundgestell gelenkig miteinander verbunden sind.