<Desc/Clms Page number 1>
Vorrichtung zur Festlegung einer vertikalen Ebene in einem Fahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Festlegung einer vertikalen Ebene in einem Fahrzeug, die ein in dem Fahrzeug um eine Achse drehbares Pendel enthält, das bei der Bewegung des Fahrzeuges entlang der Erdoberfläche einem Drehmoment in Abhängigkeit von in der Drehebene des Pendels entstehenden Beschleunigungskräften ausgesetzt wird.
Es ist theoretisch bekannt, dass ein Pendel, dem eine schwingungsdauer von etwa 84 min (SchulerAbstimmung) gegeben wird, immer in der vertikalen Ebene durch seine Drehachse liegen und dadurch eine Vertikalebene im Fahrzeug festlegen wird, ob es Beschleunigungskräften ausgesetzt wird oder nicht.
Ein physiklaisches Schuler-Pendel, d. h. ein Pendel in der Form eines Schwungrades mit einer kleinen Unwucht, ist indessen in der Praxis nicht verwendbar und kann wegen der grossen Trägheitsmasse und/oder der kleinen Verschiebung des Schwerpunktes, die zur Erreichung der erforderlichen langen Schwingungsdauer erforderlich wären, z. B. nicht zur Festlegung einer vertikalen Ebene in einem Fahrzeug verwendet werden.
Die Erfindung hat deshalb zum Zweck, eine Vorrichtung zur Festlegung einer vertikalen Ebene in einem Fahrzeug hervorzubringen, bei welchem die Schwierigkeiten in Verbindung mit einem Schulerabgestimmten, physikalischen Pendel vermieden werden können, so dass eine Vorrichtung mit kleinen Massen und Abmessungen und einer hohen Genauigkeit erreicht werden kann.
Die Erfindung gründet sich auf die Tatsache, dass es möglich ist, das Trägheitsmoment eines um eine Achse drehbaren Körpers künstlich zu vergrössern. In welcher Weise einem drehbaren System oder Körper ein künstlich vergrössertes Trägheitsmoment erteilt werden kann, wird im folgenden an Hand Fig. 1 der Zeichnung näher beschrieben. Fig. l der Zeichnung zeigt schematisch ein System zur Erzeugung eines künstlich vergrösserten Trägheitsmoments eines drehbaren Körpers 1.
Das System enthält eine Einrichtung 2 zum Erfassen der Winkelgeschwindigkeit des Körpers 1 um seine Drehachse relativ zum Trägheitsraum, eine differenzierende Einrichtung 3, eine verstärkende Einrichtung 4 und-eine drehmomenterzeugende Einrichtung, z. B. einen elektrischen Motor 5. Der Einfachheit halber kann angenommen werden, dass die Einrichtung 2 zum Erfassen der Winkelgeschwindigkeit des drehbaren Körpers 1 aus einem Tachometergenerator besteht, der auf einer im Trägheitsraum festliegenden Basis angeordnet ist. In der Praxis ist indessen vorzüglich eine geeignete Kreiseleinrichtung zum Erfassen der Winkelgeschwindigkeit des Körpers 1 zu verwenden.
Der Tachometergenerator 2 wird folglich eine elektrische Spannung VT mit einer der Winkelge-
EMI1.1
EMI1.2
wobei kT die Empfindlichkeit des Tachometerdynamos bedeutet.
In der Einrichtung 3 wird die Spannung VT differenziert und die Spannung
EMI1.3
erzeugt, wobei in dieser Formel D die Empfindlichkeit der differenzierenden Einrichtung 3 bedeutet.
<Desc/Clms Page number 2>
Nach Verstärkung im Verstärker 4 wird eine Spannung
EMI2.1
erhalten, wobei in dieser Formel kF den Verstärkungsfaktor des Verstärkers bedeutet und das Minuszeichen
EMI2.2
D = Dämpfung des Systems MM= das vom Motor 5 erzeugte Drehmoment
Mg = ein äusseres, auf den Körper wirkendes Drehmoment wird die Gleichung
EMI2.3
des Systems erhalten. Weiters werden in den folgenden Gleichungen noch die Bezeichnungen k = eine Momentenkonstante
I = Strom in den Wicklungen des Motors 5
E = Gegen-EMK im Motor 5
EMI2.4
verwendet.
Das vom Motor erzeugte Drehmoment ist
EMI2.5
Bei Vernachlässigung der Induktivität der Motorwicklung gilt die Formel
EMI2.6
EMI2.7
Weiters gilt
EMI2.8
Aus diesen obigen Gleichungen erhält man :
EMI2.9
d. h. wegen des vom Motor 5 erzeugten Drehmoments verhält sich der drehbare Körper 1 wie ein Körper mit'dem Trägheitsmoment
EMI2.10
d. h. das scheinbare Trägheitsmoment des Körpers ist im Verhältnis zu dem physikalischen Trägheitsmoment J des Körpers künstlich vergrössert worden.
Aus der obigen Analyse geht klar hervor, dass, um das Trägheitsmoment des Körpers über sein physikalisches Trägheitsmoment zu vergrössern, das vom Motor 5 erzeugte Moment in solcher Richtung auf den Körper ausgeübt werden muss, dass es dem auf den Körper wirkenden, äusseren, die Winkelbeschleunigung des Körpers verursachenden Moment entgegengerichtet ist.
Nach der Erfindung wird jetzt das oben beschriebene Verfahren zum Erzeugen eines künstlich vergrö- sserten Trägheitsmoments eines drehbaren Körpers für eine Vorrichtung zur Festlegung einer vertikalen Ebene in einem Fahrzeug verwendet, die in an sich bekannter Weise ein in dem Fahrzeug um eine Achse drehbares Pendel enthält, das bei der Bewegung des Fahrzeuges entlang der Erdoberfläche einem Drehmoment in Abhängigkeit von in der Drehebene des Pendels entstehenden Beschleunigungskräften ausgesetzt wird, wobei die Schwingungsdauer des Pendels derart bemessen ist, dass es unter Einwirkung der auf
<Desc/Clms Page number 3>
dasselbe wirkenden, von der Bewegung des Fahrzeuges entlang der Erdoberfläche verursachten Beschleuni- gungskräfte durch seine Stellung in seiner Drehebene und seine Drehachse stets eine Vertikalebene im
Fahrzeug festlegt.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einrichtung zum Erfassen der Winkelbeschleunigung des Pendels um seine Drehachse relativ zum Trägheitsraum und zum Erzeu- gen einer dieser Winkelbeschleunigung proportionalen Grösse und eine dem Pendel ein um die genannte
Drehachse wirkendes Drehmoment, welches proportional der genannten Grösse ist und auf das Pendel in entgegengesetzter Richtung zu dem die Winkelbeschleunigung verursachenden, infolge der genannten Be- schleunigungskräfte entstehenden Drehmoment wirkt, zuführende Einrichtung enthält, wodurch dem Pendel ein künstlich vergrössertes Trägheitsmoment beigebracht wird, wobei diese Einrichtungen derart be- messen sind, dass das gesamte Trägheitsmoment des Pendels die Schwingungsdauer eines Schuler-Pendels bewirkt.
Mehrere verschiedene Einrichtungen zum Erfassen der Winkelbeschleunigung des Pendels relativ zum
Trägheitsraum sind verwendbar. Wie schon In Verbindung mit Fig. 1 erwähnt, kann diese Einrichtung aus einem Tachometergenerator auf einer im Trägheitsraum festliegenden Basis und einer Einrichtung zur
Differenzierung und, wenn erforderlich, Verstärkung der Generatorspannung bestehen. In der Praxis ist indessen vorzüglich eine Kreiseleinrichtung zu verwenden, z. B. ein sogenannter Geschwindigkeitskreisel, d. h. ein Kreisel mit einem Freiheitsgrad, dessen Ausgangsachse von einer Fesselkraft beeinflusst ist, die mit der Drehung der Ausgangsachse von einer Null-Lage linear zunimmt, und eine nachgeschaltete Ein- richtung zur Differenzierung der Ausgangsspannung des Kreisels.
Es ist auch möglich, einen sogenannten beschleunigungsgekuppelten Kreisel zu verwenden, d. h. einen Kreisel mit einem Freiheitsgrad, dessen Ausgangsachse von einer Fesselkraft beeinflusst ist, die proportional mit dem Integral der Drehung der Ausgangsachse von einer Null-Lage zunimmt. Auch an- dere Kreiseleinrichtungen können indessen zum Erfassen der Winkelbeschleunigung des Pendels verwen- det werden, wie es im folgenden näher erläutert wird.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Fig. 2 der Zeichnung näher beschrieben, die schema- tisch eine Einrichtung nach der Erfindung zur Festlegung einer Vertikalebene in einem Fahrzeug zeigt, die mit einem Geschwindigkeitskreisel zum Erfassen der Winkelbeschleunigung des Pendels versehen ist.
Die in Fig. 2 dargestellte Einrichtung nach der Erfindung zur Festlegung einer vertikalen Ebene enthält einen Körper 21, der in einem Gestell 23 drehbar angeordnet ist. Der Körper 21 weist eine gewisse Un- wucht um seine Drehachse auf, wie es mit dem Gewicht W angedeutet wird, und wird folglich als ein
Pendel mit einer von dem Trägheitsmoment des Pendels und der Verschiebung seines Schwerpunktes von seiner Drehachse bestimmten Schwingungsdauer wirken.
Das Pendel. 21 ist mit einer Plattform 22 für einen Geschwindigkeitskreisel versehen. Dieser Kreisel enthält einen rotierenden Kreiselkörper 24, der auf der Plattform 22 mit einem Freiheitsgrad derart an- geordnet ist, dass er um eine Achse 25, die Ausgangsachse des Kreisels, schwenkbar ist. Diese Ausgangs- achse ist senkrecht sowohl zu der Drallachse des Kreiselkörpers 24 als auch zur Drehachse des Pendels 21.
Die Ausgangsachse 25 ist mit einer Flüssigkeitsdämpfung, bezeichnet mit D, und einem Signalgenerator
26 versehen, der die Drehung der Ausgangsachse 25 relativ zur Plattform 22 erfasst und eine der Winkel- abweichung des rotierenden Kreiselkörpers 24 um die Ausgangsachse von einer vorbestimmten Null-Lage proportionale Spannung erzeugt.
Die Ausgangsspannung vom Signalgenerator 26 wird über Schleifringe 27 einem Verstärker 28 zuge- führt. Der Drehung der Ausgangsachse 25, d. h. der Winkelabweichung des rotierenden Kreiselkörpers 24 um die Ausgangsachse, wirkt eine Fesselkraft entgegen, die mit der Winkelabweichung des Kreiselkörpers
24 um die Ausgangsachse von einer Null-Lage linear zunimmt. Diese die Ausgangsachse 25 des Kreisels beeinflussende Fesselkraft kann mittels einem geeigneten Federgerät erhalten werden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird indessen diese Fesselkraft von einem Momentmotor 31 erzeugt, dem durch Schleifringe 32 die verstärkte Spannung vom Signalgenerator 26 zugeführt wird. Da diese Spannung proportional der Winkelabweichung des Kreiselkörpers 24 um die Ausgangsachse 25 ist, wird der Momentmotor 31 offenbar auf die Ausgangsachse 25 eine Fesselkraft aus- üben, die proportional der Winkelabweichung des rotierenden Kreiselkörpers 24 um die Ausgangsachae 25 ist.
In einer Kreiseleinrichtung dieser Art, die gewöhnlich als ein Geschwindigkeitskreisel bezeichnet wird, wird die Ausgangsspannung vom Signalgenerator 26 proportional der Winkelgeschwindigkeit des Pendels 21 um seine Drehachse relativ zum Trägheitsraum. Nach Verstärkung im Verstärker 28 wird die Ausgangsspannung vom Signalgenerator 26 einer differenzierenden Einrichtung 29 zugeführt, in der die
<Desc/Clms Page number 4>
Spannung einmal differenziert wird, so dass die Ausgangsspannung von der differenzierenden Einrichtung
29 proportional der Winkelbeschleunigung des Pendels 21 ist.
Die Ausgangsspannung von der differenzie- renden Einrichtung 29 wird einem Momentmotor 30 zugeführt, der das Pendel 21 um seine Drehachse be- einflusst und der folglich dem Pendel ein um seine Drehachse wirkendes Drehmoment zuführt, das propor- tional zu der Winkelbeschleunigung des Pendels und entgegengesetzt zu dem äusseren, die Winkelbe- schleunigung des Pendels verursachenden Drehmoment ist. Die Arbeitsweise der in Fig. 2 dargestellten
Einrichtung ist also grundsätzlich identisch mit der Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten und oben be- schriebenen Einrichtung.
Es ist folglich offenbar, dass es mittels der in Fig. 2 dargestellten Einrichtung möglich ist, das Träg- heitsmoment des Pendels 21 bis auf einen gewünschten Wert künstlich zu vergrössern. Die Einrichtung nach der Erfindung kann also so bemessen werden, dass dem Pendel, obgleich es eine kleine Masse und kleine
Abmessungen besitzt, so ein künstlich vergrössertes gesamtes Trägheitsmoment gegeben wird, dass das
Pendel wie ein Schuler-Pendel wirken wird, d. h. es wird durch seine Stellung in seiner Drehebene und durch seine Drehachse stets eine Vertikalebene im Fahrzeug festlegen, wenn das Fahrzeug entlang der
Erdoberfläche bewegt wird.
Anstatt einen Signalgenerator 26 zu verwenden, der die Winkelabweichung des rotierenden Kreisel- körpers 24 um die Ausgangsachse 25 erfasst, ist es'auch möglich, eine Einrichtung, z. B. einen Tacho- metergenerator, zu verwenden, die die Winkelgeschwindigkeit der Bewegung des Kreiselkörpers 24 um die
Ausgangsachse 25 erfasst und die also unmittelbar eine Ausgangsspannung proportional der Winkelbeschleu- nigung des Pendels 21 erzeugt, so dass die differenzierende Einrichtung 29 ausgelassen werden kann. Bei einer solchen Ausführungsform der Erfindung kann die Ausgangsachse 25 der Kreiseleinrichtung natürlich nicht von einem Momentmotor 31 beeinflusst sein, sondern die auf die Ausgangsachse 25 wirkende lineare
Fesselkraft muss z. B. von einem Federgerät erzeugt werden.
Anstatt einen Geschwindigkeitskreisel wie in Fig. 2 zu verwenden, ist es auch nach der Erfindung möglich, einen beschleunigungsgekuppelten Kreisel zu verwenden. Ein Kreisel in Beschleunigungskupp- lung unterscheidet sich von dem in Fig. 2 dargestellten Geschwindigkeitskreisel dadurch, dass die auf die
Ausgangsachse 25 des Kreisels wirkende Fesselkraft nicht linear mit der Winkelabweichung des rotieren- den Kreiselkörpers 24 um die Ausgangsachse 25, sondern proportional mit dem Zeitintegral der Winkelab- weichung des Kreiselkörpers 24 um die Ausgangsachse 25 zunimmt.
Eine solche proportional mit dem Zeitintegral der Winkelabweichung des Kreiselkörpers 24 um die Ausgangsachse 25 zunehmende Fesselkraft kann dadurch einfach erhalten werden, dass der Momentmotor 31 von der Ausgangsspannung einer intergrierenden Einrichtung gespeist wird, welcher die vom Verstärker 28 erhaltene, der Winkelabweichung des Kreiselkörpers 24 um die Ausgangsachse 25 proportionale Spannung zugeführt wird. In einem solchen beschleunigungsgekuppelten Kreisel ist die Ausgangsspannung vom Signalgenerator 26 direkt proportional der Winkelbeschleunigung des Pendels 21, weshalb die differenzierende Einrichtung 29 ausgelassen werden kann und-die Ausgangsspannung vom Verstärker 28 unmittelbar an dem Momentmotor 30 angeschlossen werden kann.
Nach der Erfindung ist es auch möglich, einen einfachen intergrierenden Kreisel zum Erfassen der Winkelbeschleunigung des Pendels 21 zu verwenden. Ein solcher integrierender Kreisel unterscheidet sich von dem Geschwindigkeitskreisel nach Fig. 2 dadurch, dass die Ausgangsachse 25 des Kreisels von keiner Fesselkraft beeinflusst wird. In einem solchen integrierenden Kreisel ist die Ausgangsspannung des Signalgenerators 26 proportional dem Drehwinkel des Pendels 21 um seine Drehachse relativ zum Trägheitsraum und die Ausgangsspannung vom Signalgenerator 26 muss deshalb in der differenzierenden Einrichtung 29 zweimal differenziert werden, ehe sie dem Momentmotor 30 zugeführt wird.
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.