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Kreiselgerät Die Erfindung bezieht sich auf ein Kreiselgerät, dessen
Kreiselläufer eine von einem Gas umströmte glatte Kugelfläche hat und dadurch angetrieben
wird und auf einem aus einer Tragkugel und Kugelschale bestehenden Stützlager ruht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, genaue Gleichachsigkeit
des von der Antriebsströmung auf den Kreiselläufer ausgeübten Drehmoments mit der
Stützachse zu erzielen, wenn die Antriebsströmung des Gases durch eine oder mehrere
Düsen erzeugt wird. Beim Antrieb des Kreiselläufers durch Düsen, deren Strahlen
auf die glatte Kugelfläche des Läufers wirken, besteht nämlich die Gefahr, daß bei
geringsten Montagefehlern die Achse des Antriebsdrehmoments von der Stützachse abweicht,
was mangels besonderer Vorkehrungen zu Störmomenten führt.
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Erfindungsgemäß ist die geschilderte Aufgabe dadurch gelöst, daß
für eine oder mehrere, die Antriebsströmung des Gases erzeugende Düsen ein umlaufender
Träger vorgesehen ist, dessen Umlaufachse normalerweise mit der Stützachse zusammenfällt
und der mit einer geringeren Drehzahl als der Läufer stetig angetrieben ist. Hierdurch
laufen die Störmomentvektoren periodisch um die Stützachse herum, wodurch ihre Wirkung
im Mittel kompensiert ist.
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Es ist zwar bereits ein Kreiselgerät bekannt, dessen Kreiselläufer
auf einer Tragkugel luftgelagert ist, die von einer Stützachse getragen wird. Dabei
wird diese Stützachse ebenfalls durch einen eigenen stetigen Antrieb in Drehung
versetzt. Das Antriebsmoment für den Kreiselläufer wird dabei jedoch im Kreiselläufer
selbst erzeugt, nämlich durch den Rückstoß von Strahldüsen, die am Umfang des Kreiselläufers
angebracht sind und mit diesem umlaufen. Die Erfindungsaufgabe tritt dabei nicht
auf, weil sie voraussetzt, daß das den Kreiselläufer antreibende Moment von dem
Träger des Kreiselläufers erzeugt wird, nämlich durch die Antriebsluftstrahlen,
mit denen die am Träger sitzenden Düsen die glatte Kugeifläche des Läufers beaufschlagen.
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Bei Kreiselgeräten, deren Läufer durch einen eingebauten Elektromotor
angetrieben und dessen Träger kardanisch aufgehängt ist, ist es bekannt, diesen
Träger des Läufers langsam stetig um die Läuferachse umlaufen zu lassen. Dadurch
sollen Störungen vermieden werden, die durch mangelhaften Gewichtsausgleich der
Kardanringe bedingt sind. Das Kreiselgerät jedoch, auf das sich die Erfindung bezieht,
weist keine derartigen Kardanringe auf, da diese durch das kugelförmige Stützlager
mit drei Freiheitsgraden ersetzt sind.
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Schließlich sind Kreiselgeräte mit Antrieb des Kreiselläufers durch
ein seinen Umfang umströmendes Gas bekannt, bei denen der Düsenträger durch einen
Nachlaufantrieb auf ein gewünschtes Azimut eingestellt werden kann. Dieser Nachlaufantrieb
ist jedoch kein stetiger Antrieb, und er könnte die Erfindungsaufgabe daher nicht
lösen.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind in
den Unteransprüchen angegeben, denen jedoch ein vom Hauptpatentanspruch unabhängiger
Schutz nicht zukommt.
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Die Erfindung sei nunmehr an Hand verschiedener Ausführungsbeispiele
erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigt Fig. 1 einen
lotrechten Schnitt durch die Stützlagerung eines Kreiselläufers mit einer einzigen
Düse, F i g. 2 einen Grundriß der Tragschale nach F i g. 1, Fig. 3 einen lotrechten
Schnitt durch eine Stützlagerung mit mehreren Düsen, Fig. 4 einen lotrechten Schnitt
durch eine Stützlagerung mit veränderbarem Düsenquerschnitt, F i g. 5 einen Grundriß
der Tragschale nach F i g. 4, F i g. 6 einen lotrechten Schnitt eines Kreiselgerätes
mit drehbar gelagerter Hüllschale, bei dem eine an der Hüllschale befestigte Antriebsdüse
um zwei Achsen verschwenkbar ist, F i g. 7 einen Schnitt des Kreiselgerätes nach
F i g. 6 entlang der Linie 7-7, Fig. 8 und 9 lotrechte Schnitte durch eine Stützlagerung
zur Erläuterung der Entstehung seitlicher Verschiebungen, F i g. 10 einen lotrechten
Schnitt durch eine Stützlagerung, bei der sich die Tragkugel des Stützlagers am
Kreiselläufer befindet, Fig. 11 einen lotrechten Schnitt durch eine Stützlagerung,
bei der sich die Kugelschale des Stützlagers am Kreisläufer befindet.
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Der Kreiselläufer 10 in F i g. 1 hat die Form einer Hohlkugel, die
unten offen ist und in deren Innern sich die an ihr befestigte Tragkugel 12 für
das Stützlager
befindet. Die konzentrisch zur Kreiselläuferoberfläche
angeordnete Tragkugel 12 ruht in einer Kugelschale 14, der in der Mitte durch eine
Zuströmdüse 16 Luft zugeführt wird. Wenn die Achse dieser Zuströmdüse 16 für das
zwischen Tragkugel 12 und Kugelschale 14 liegende Luftkissen 18 die Stützachse k
in einem Abstand kreuzt, tritt die Luft mit einer bestimmten Tangentialgeschwindigkeit
durch das Lager und erteilt infolge der bei der Strömung auftretenden laminaren
Reibung dem Läufer 10 einen Drall 6 (Blasdrall), so daß sich dieser zu drehen beginnt
(s. auch F i g. 2). Es muß vermieden werden, daß der Blasdrall 6 eine Komponente
besitzt, die senkrecht zum Vektor des Antriebsmoments gerichtet ist. Die Tragdüse
16 ist daher vorzugsweise verstellbar, wodurch die Richtung der Luftzufuhr einjustiert
werden kann.
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Bei der Stützlagerung nach Fig. 3 werden zum Unterschied von F i
g. 1 mehrere Tragdüsen verwendet. In diesem Fall muß durch richtiges Einstellen
der Tragdüsen 16, deren Querschnitt und Richtung vorzugsweise veränderbar ist, dafür
gesorgt werden, daß der resultierende Vektor R der von der zugeführten Tragluft
ausgeübten Kräfte die gleiche Richtung wie der Antriebsvektor hat.
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Während bei der Stützlagerung nach Fig. 1 bis 3 die Tragschale 14
am Stützlagerschaft befestigt ist, zeigen die Fig. 4 und 5 eine Stützlagerung, bei
der die Tragkugel 12 am Stützlagerschaft befestigt ist.
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Die Bedeutung dieses Unterschiedes wird später noch an Hand der Fig.
10 und 11 erörtert. Die Fig. 4 und 5 zeigen, wie man den Querschnitt der Düsen veränderbar
machen kann.
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Der Antrieb des kugelförmigen Kreiselläufers 10 (nur teilweise dargestellt)
erfolgt durch in die Tragkugel 12 eingebaute Antriebsdüsen 68, die sowohl in tangentialer
als auch radialer Richtung geneigt sind und bewirken, daß die glatte innere Kugelfläche
des Kreiselläufers 10 von dem den Antriebsdüsen 68 zugeführten Gas, im Grundriß
der F i g. 5 betrachtet, umströmt wird. Die Antriebsdüsen 68 unterstützen die Wirkung
der in Richtung der Stützachse verlaufenden Tragdüse 16. Diese Anordnung hat sich
besonders in den Fällen bewährt, bei denen auf das Stützlager seitliche Kräfte ausgeübt
werden. Die Düsen 68 sind in die konischen Seitenflächen eines scheibenförmigen
Einsatzteiles 70 mit kugelförmiger Oberseite eingefräst. Dieser Einsatzteil ist
in eine koaxial zur Stützachse verlaufende kegelige Bohrung der Tragkugel 12 eingekittet.
Die Trag- und Antriebsluft wird über einen in Richtung der Stützachse im Stützlagerschaft
20 und in der Tragkugel 12 verlaufenden Kanal 24 einer Pufferkammer 72 zugeführt,
die vom unteren Teil der kegeligen Bohrung in der Tragkugel 12 gebildet wird. Von
der Pufferkammer 72 zweigen die verschiedenen Zuleitungen für die Düsen ab. Die
den Antriebsdüsen 68 zugeführte Luft kann durch Schrauben 74 einreguliert werden.
Die Schrauben 74 liegen parallel zur Stützachse und sind von unten her über ebenfalls
parallel zur Stützachse verlaufenden Bohrungen 76 zugänglich.
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Bei den Stützlagerungen gemäß F i g. 1 bis 5 können durch ungenaue
Ausrichtung der Düsen oder durch ungenaue Bemessung bzw. Einstellung ihrer Querschnitte
Störmomente auftreten, die senkrecht zur Stützachse wirken und eine Fehleinstellung
des Kreiselläufers verursachen.
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Zur Kompensation von senkrecht zur Stützachse auftretenden Störmomenten
wird erfindungsgemäß der von der Kugelschale 14 bzw. von der Tragkugel 12 gebildete
Träger der die Antriebsströmung erzeugenden Düsen 16 als umlaufender Träger ausgebildet
und mit einer Winkelgeschwindkeit w um die Stützachse k gedreht, so daß die Störmomente
nach allen Seiten wirken und daher letzten Endes keine Ablenkung des Kreisels herbeiführen,
da dieser zu träge ist, um diesen periodischen Störmomenten nachzugeben.
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Die Strömung im Luftlager kann zwar bei tangentialer Anordnung der
Düse 16 gemäß Fig.2 zum Antrieb des Kreiselläufers ausreichen, weil das Gas die
glatte Fläche der zum Läufer gehörigen Kugel 12 umströmt.
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Ein wesentlich stärkeres Antriebsmoment ergibt sich jedoch, wenn
die vom Gas umströmte glatte Kugelfläche die äußere Umfangsfläche des Kreiselläufers
ist. Das ist in Fig. 6 gezeigt. Der hohlkugelförmige Kreiselläufer 10 ruht mit seiner
im Innern angebrachten Kugelschale 14 auf einer Tragkugel 12, die auf dem Stützlagerschaft
20 befestigt ist. Die Tragluft für das Stützlager wird über einen im Stützlagerschaft20
und in der Tragkugel 12 in Richtung der Stützachse verlaufenden Kanal 24 zugeführt.
Der Stützlagerschaft 20 sitzt fest in der Mittelbohrung eines Bauelements 44, das
die Form einer umgestülpten Tasse hat und um die Stützachse drehbar auf der Grundplatte
46 des Kreiselgehäuses gelagert ist. An der Außenseite des Bauteiles 44 ist ein
Zahnkranz 48 befestigt, der vom Antriebsritzel 50 eines an der Grundplatte 46 befestigten
Motors 52 angetrieben wird. Mit Hilfe des Motors 52 kann also der Bauteil 44 und
der damit verbundene Stützlagerschaft 20 um die Stützlagerachse stetig gedreht werden.
Da aber auch die konzentrisch zum Kreiselläufer 10 angeordnete Hüllschale 28 über
eine justierbare Halterung 54 mit dem Bauteil 44 verbunden ist, wird durch den Motor
52 mit dem Stützlager gleichzeitig auch die Hüllschale 28 um die Stützachse gedreht.
Die Luftströmung um den Kreiselläufer 10 wird hier aber durch eine an der Hüllschale
28 entsprechend angebrachten Düse 56 erzielt. Die die Äquatorzone des Kreiselläufers
umgebende Luftschicht ist so dick, daß sich in ihr der Düsenluftstrahl frei ausbilden
kann.
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Daher schmiegt sich das schmale Luftband, das aus der Düse 56 austritt
und unter einen bestimmten Anstellwinkel a die kugelförmige Oberfläche des Kreiselläufers
10 trifft, auf einem Teil des Umfanges an die Oberfläche an und treibt infolge der
dynamischen Zähigkeit und der hohen Relativgeschwindigkeit den Kreiselläufer 10
an, wobei die Kreiselachse das Bestreben hat, sich entsprechend der mittleren Strömungsrichtung
der von der Düse eingeleiteten Luft zu stellen. Der Staudruck S ist im Gegensatz
zu einer normalen Luftturbine nicht tangential gerichtet, sondern er wirkt senkrecht
zur Kugeloberfläche, und sein Moment in bezug auf den Kreiselläufermittelpunkt ist
daher Null. Neigt sich die Kreiselläuferumlaufachse a gegenüber der Düse 56, so
treten in bezug auf den Antrieb keinerlei Änderungen auf, weil ja die Kugeloberfläche
genau zum Stützlager zentriert ist. Damit ein genügend starker Antrieb erfolgt,
ist es nur notwendig, daß das dünne, aus der Düse 56 austretende Luftband sich an
einem möglichst großen Teil der kugelförmigen Kreiselläuferoberfläche anschmiegt,
damit die Luft ihre Geschwindigkeitsenergie in Form von Oberflächenreibung abgeben
kann. Dabei ist
kennzeichnend, daß ein Aufrauhen der Oberfläche
des Kreiselläufers 10 schädlich ist, weil dann einerseits durch die Erzielung eines
Staudruckes in der Umfangsrichtung zwar ein größeres Moment erzeugt wird, aber andererseits
die nicht beaufschlagten Teile der rauhen Läuferoberfläche einen größeren Luftwiderstand
haben. Die Folge davon ist, daß bei gleichem Luftverbrauch die Drehzahl niedriger
wird. Die mittlere Umfangsgeschwindigkeit der Luft muß an allen den Kreiselläufer
umgebenden Stellen etwas größer als die Kreiselläuferumfangsgeschwindigkeit sein,
damit ein Mituahmemoment entsteht, das größer ist als das Reibungsmoment des Luftlagers.
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Die erforderliche Justierung der Richtung des Antriebsmoments gegenüber
der Stützachse kann durch entsprechendes Schwenken der Düse 56 erreicht werden.
Wie aus der Fig.7 ersichtlich ist, die einen Schnitt durch die Hüllschale der in
F i g. 6 gezeigten Anordnung darstellt, kann die Düse 56, die auf der den Kreiselläufer
10 umgebenden Hüllschale 28 so angebracht ist, daß sie die Zirkulationsströmung
möglichst wenig stört, um die Achsen, und A2 durch die zweiachsig justierbare Halterung
54 mit den Justiergriffen 58 und 60 und den Schneckentrieben 62 und 64 geschwenkt
werden. Mit Hilfe des Justiergriffs 58 wird die Düse 56 um die Achse A1 und mit
Hilfe des Justiergriffs 60 um die Achse A2 verschwenkt. Um bei Verwendung auf Fahrzeugen
möglichst geringe Lageveränderungen der Stützachse in bezug auf die Läuferachse
zu erhalten, ist die Kreiselgerätgrundplatte46, welche die Stützachse und die Halterung
54 für die Antriebsdüse 56 trägt, an einem Träger 66 in einer Kardanlagerung aufgehängt,
von der in der F i g. 6 nur die eine Achse 67 und der Kardanrings 69 dargestellt
ist. Auch bei dieser Ausführungsform werden nicht ganz ausjustierbare Störmomente
dadurch kompensiert, daß durch den Motor 52 die Düse 56 und die Hüllschale 28 um
die Stützachse stetig gedreht werden.
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Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 6 und 7 kann eine Verminderung
der durch ungenaue Justierung der Antriebsdüsen entstehenden Störmomente auch noch
durch vorbeugende Maßnahmen hinsichtlich der Stützlagerung des Kreiselläufers erzielt
werden. Die unerwünschte Wirkung der Störmomente, die durch ungenaue Justierung
der Antriebsdüsen entstehen, wird vergrößert, wenn seitliche Verlagerungen des Kreiselläufers
gegenüber der Normalrichtung der Stützachse auftreten. Dies kann durch eine zweckmäßige
Ausbildung der Stützlagerung verhindert werden.
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Die Entstehung einer seitlichen Verlagerung des Kreiselläufers gegenüber
der Normalrichtung der Stützachse ist in den F i g. 8 und 9 näher erläutert.
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Aus diesen beiden Figuren ist ersichtlich, daß der Mittelpunkt des
Kreiselläufers 10 nur dann auf der Stützachse k liegt, wenn die Resultierende P
aus allen in den einzelnen Elementen der kugelförmigen Gleitfläche auftretenden
Partialdrücken p in das Lot fällt und dadurch der Gewichtskomponente G das Gleichgewicht
hält. In allen anderen Fällen, wenn also beispielsweise, wie in F i g. 8 angedeutet,
die Tragschale 14 durch äußere Einflüsse aus dem Lot herausgekippt wird, entsteht
eine horizontale Seitenkraft S, welche durch einen Pfeil angedeutet ist und die
Tragkugel 12 aus der Hauptachse herausschiebt, wodurch ein zur Stützachse unsymmetrischer
Flüssigkeitsfilm entsteht.
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Das Gas oder die Flüssigkeit strömt dann einseitig
aus dem Lager und
erzeugt entsprechend dieser unsymmetrischen Strömung ein Störmoment Ss, dessen Vektor
senkrecht zur Zeichenebene steht (s. F i g. 9).
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Dieses Störmoment kann zwar durch die erfindungsgemäße Rotation des
Trägers der Antriebsdüsen nicht kompensiert werden. Doch kann seiner Entstehung
durch konstruktive Maßnahmen am Luftlager vorgebeugt werden.
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Bei einem Kreisel, dessen Stützachse k vorwiegend in der Lotlage
liegt, wird man vorzugsweise die Anordnung des Luftlagers nach Fig. 10 wählen, bei
der sich die Tragkugel 12 des Stützlagers am Kreiselläufer 10 befindet und die Tragschale
14 unten zu liegen kommt. Hierbei werden Verkippungen des Kreiselläufers aus der
Normallage nicht zu Strömungssymmetrien führen.
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Bei vorwiegend senkrechter Lage des Kreiselläufers, also beispielsweise
bei Verwendung des Kreisels zur Lotanzeige, wird man für das Luftlager zweckmäßigerweise
die in Fig. 11 gezeigte Anordnung wählen, in der die Tragkugel 12 für das Stützlager
an der Stützachse k und die Kugelschale 14 im Innern des Kreiselläufers 10 angebracht
und mit einer mittleren Aussparung 13 versehen ist, in die der Druckluftkanal 16
der Tragkugel mündet. In diesem Fall führt ein Kippen der Stützachse k nicht zu
einer seitlichen Verlagerung des Kreisels, weil die Resultierende der partiellen
Tragdrückep im Lager sich immer mit dem Kreiselläufergewicht das Gleichgewicht hält.