DE1448628C - Kreiselkompaß - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kreiselkompaß mit einem Kreiselelement, welches astatisch aufgehängt ist und Drehfreiheit um eine rechtwinklig zu einer Drcliiinpulsachse verlaufenden vertikalen Achse und um eine rechtwinklig zu letzterer verlaufenden Horizontalachse hat; mit einer Lotfesseliing des Kreiseleleinents bezüglich der horizontalen Achse zur Erzielung der Nordeinstellung; mit einer Dämpfung, die ein ücn Schwingungen des Kreiselements um die vertikale Achse entgegenwirkendes Moment erzeugt, und mit einem Drehmomentgeber, der auf das Kreiselelement um die horizontale Achse ein dem Zeitintegral der Neigung der Drehimpulsachse gegen die HorizoiUalebene proportionales Element ausübt.

Ein Kreiselkompaß, der zwar eine Aufhängung des Kreiselclements, eine Lotfesselung und eine Dämpfung der vorgenannten Art, jedoch nicht den zuletzt genannten integrierenden Drehmomentgeber aufweist, kommt bekanntlich in einer Lage zum Stillstand, in der die Drehimpulsachse des Kreiselelements um einen Winkel Φ_ο von der Nordrichtung abweicht und das Nordende der Drehimpulsachse um einen Winkel O_n gegenüber der Horizontebene geneigt ist. Diese Fehleinstellung, die überdies noch breitenabhängig ist, kann man durch Hinzufügung des obengenannten integrierenden Drehmomentgeber beseitigen.

Bei einem bekannten Kreiselkompaß, bei dem die Lotfesselung des Kreiselelements durch Anbringung eines Gewichts unterhalb der horizontalen Aufhängerachse erzielt wird, ist der integrierende Drehmomentgeber durch ein Laufgewicht gebildet, welches über eine Spindel mit einem Servomotor nach Maßgabe eines kontaktgebenden Pendels in Richtung der Drehimpulsachse verstellbar ist. Das Laufgewicht, welches vom niedrigeren zum höheren Ende der Drehimpulsachse verstellt wird, kippt das Kreiselelement im Sinne einer Verringerung des Winkels O₀ und kommt zum Stillstand, wenn £)„ = O. Das Drehmoment, welches durch das aus der Mitte verstellte Laufgewicht nunmehr ständig auf das Kreiseleliment ausgeübt wird, bewirkt sodann auch eine Beseitigung der Mißweisung '/>„.

Übrigens werden bei einem derart ausgebildeten Kreiselkompaß ohne weiteres Störmomente kompensiert, die bezüglich der horizontalen Aufhängerachse wirksam werden können, z. B. infolge einer temperaturbedingten Verlagerung des Gewichtsschwerpunk' tes des Kreiselelements oder durch über diese Aufhängeachse geführte Stromleitungen. Beim Auftreten solcher Störmomente verschiebt sich das Laufgewicht um eine entsprechende Strecke, bis ein kompensierendes Gegenmoment erzeugt wird.

Einen Kreiselkompaß, bei dem die Lotfesselung des Kreiselelements durch Anbringung eines Gewichts unterhalb der horizontalen Aufhängeachse erzielt wurde, kann man auch einen »fußlastigen« Kreiselkompaß nennen. Das Kreiselelement hat dann die Eigenschaft eines Pendels, welches bestrebt ist, in der I .otrichlung zu verbleiben.

Demgegenüber ist es auch bekannt, die Lotfesselung mit einer Flüssigkcitsballistik zu erzielen, die allerdings zunächst das Bestreben hat, eine Abweichung der Drehimpulsachse aus der Horizontebene noch zu vergrößern. Einen solchen Kreiselkompaß könnte man daher als »kopflastig« bezeichnen. Würde man bei einem solchen Kreiselkompaß ebenfalls den oben beschriebenen integrierenden Drehmomentgeber einsetzen, so müßte man, z. B. durch Umpolung des Servomotors, dafür sorgen, daß das Laufgewicht vom höheren zum niedrigeren Ende der Drehimpulsachse verstellt wird.

Erfindungsgcmäß wird ein andersartig ausgebildeter integrierender Drehmomentgeber vorgesehen, der zwar nur bei einem »kopflastigen« Kreiselkompaß brauchbar ist, jedoch in diesem Falle zu einer beträchtlichen baulichen Vereinfachung führt.

Ein Kreiselkompaß der eingangs genannten Art ist

ίο erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer mit einer Flüssigkeitsballistik herbeigeführten Lotfesselung der integrierende Drehmomentgeber eine an sich bekannte integrierende Libelle ist, die aus einem geschlossenen zylindrischen Behälter besteht, der mit einer viskosen Flüssigkeit gefüllt ist, innerhalb welcher ein bewegliches Teilvolumen durch einen Stoff von abweichender Dichte eingenommen ist, der sich nicht in der Flüssigkeit verteilt.

Eine integrierende Libelle ist an sich bereits als Lotfühler bei Lotkreiseln bekannt und soll dort die genauigkeitsmindernde Wirkung ungleichmäßiger Horizontalbeschleunigungen beseitigen. Durch die erfindungsgemäße Anwendung einer solchen integrierenden Libelle bei einem Kreiselkompaß wird nunmehr auch der Umstand nutzbar gemacht, daß die Massenverlagerung in der Libelle zur Entstehung eines in diesem Falle erwünschten Drehmoments führt.

Die Erfindung und Ausführiingsformen derselben werden an Fland von Zeichnungen beispielsweise erläutert. In diesen zeigt

Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kreiselkompasses,

F i g. 2 eine bekannte integrierende Libelle,

F i g. 3 eine Teilansicht des Kreiselkompasses gemäß Fig. 1,

Fig. 4 bis 6 andere Ausführungsformen der integrierenden Libelle.

Fig. 1 zeigt in vereinfacht dargestellten Aufbau eine Ausführungsform der Erfindung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips. Ein Kreiselgehäuse 5 weist vertikale Wellen .13 und 13' auf, die durch einen vertikal angeordneten Ringrahmen 14 mittels in der Figur nicht dargestellter Kugellager abgestützt werden. Der vertikale Ringrahmen 14 seinerseits wird durch einen horizontalen Ring 18 über die horizontalen Wellen 11 und 1Γ durch nicht gezeigte Kugellager gelagert. Weiterhin wird der horizontale Ring

18 an einem äußeren Folgering 20 über Wellen 19 und 19' durch nicht gezeigte Kugellager gehaltert. Der Folgering 20 ist in einem Gehäuse 28 über Wellen 21 und 21' abgestützt. Der vertikale Ring 14 besitzt einen tragenden Basisaufsatz 15, von dem aus die vertikale Welle 13 über einen Suspensionsdraht 16 herabhängt, so daß das Gewicht deY' Kreiselgehäuses 5 keine Belastung auf die vertikalen Wellenlager überträgt. An dem vertikajen Ring 14 ist eine Ballistik 6 mit Gefäßen 7 und 8'sowie einem Verbindungsrohr 10 durch einen Stützbügel 17 befestigt. Die Gefäße 7 und 8 weisen ein Luftrohr 12 auf, und ein Abgriff 23 ist zwischen dem vertikalen Ring 14 und dem Kreiselgehäuse 5 zur Bestimmung der relativen Verschiebung zwischen Ring und Gehäuse vorgesehen, wodurch ein Servokreis durch einen nicht gezeigten Verstärker einen Servomotor 25, Zahnräder 29 und 22 sowie durch den Folgering 20 und den mit dem Zahnrad 22 verbundenen horizontalen

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Ring gebildet ist. Bei diesem Aufbau sind das Kreiselgehüuse5 und der vertikale Ring 14 immer zusammen in Bewegung und werden durch das Servosystem in ihrer Lage geregelt, so daß keine Relativverschiebungen auftreten können. So kann der Azimut der Drehiinpulsachse von einer an der Welle 21 befestigten Windrose 26 auf einer Markierung 27 abgelesen werden.

Bei diesem Aufbau ist das Kreiselgehäuse 5 und die Ballistik 6 in bestimmter Weise um die horizontale Welle 11 angeordnet, wie dies weiter unten an Hand von Fig. 3 näher erläutert wird. Ein Dämpfungssystem wird durch ein Gegengewicht 24 gebildet, das auf der Westseite des Kreisgehäuses 5 aufgebracht ist und ein Drehmoment um die vertikalen Wellen 13 und 13' proportional zur Neigung des Kreiselgehäuses hervorruft und somit in bekannter Weise dämpfend wirkt. Bei der in Fig. 1 gewählten Darstellung zeigt der Kreisel nach Süden und dreht sich im Uhrzeigersinn.

Der soweit beschriebene Kreiselkompaß weist eine auf den vertikalen Ring 14 parallel zur Drehimpuls-. achse aufgebrachte integrierende Libelle (Integralmomentengenerator) auf, die in Fig. 2 in einer beispielsweisen Ausfiihrungsform gezeigt und allgemein mit dem Bezugszeichen t/_bezeichnet ist. Diese integrierende Libelle Ü enthält eine hochviskose Flüssigkeit, die in einem zylindrischen abgedichteten Gefäß 1 eingeschlossen ist, sowie eine in der Flüssigkeit ausgebildete Blase 3. Die integrierende Libelle hat damit Ähnlichkeit mit einer Wasserwaage mit Blase.

Der Unterschied zu einer Wasserwaage besteht jedoch darin, daß die Innenfläche 4 des Gefäßes 1, mit der die Blase 3 in Berührung kommt, nicht gewölbt, sondern im vorliegenden Beispiel gerade und genau zylindrisch ausgebildet ist. Die Innenfläche eines Gefäßes einer üblichen Wasserwaage dagegen ist gewölbt. Bei horizontaler Innenfläche 4 kann die Blase 3 in irgendeiner beliebigen Lage verbleiben, bei geneigter Fläche dagegen bewegt sich diese Blase immer zum höheren Ende des Gefäßes hin. Ein zweiter Unterschied zwischen der in Verbindung mit der Erfindung verwendeten integrierenden Libelle und der. üblichen Wasserwaage besteht darin, daß die Flüssigkeit 2 eine relativ hohe Viskosität aufweist, und dementsprechend ist die Bewegungsgeschwindigkeit der. Blase 3 genau proportional zur Neigungsgeschwindigkeit der zylindrischen Fläche 4, d..h. proportional zum integrierenden Wert der Neigung der Oberfläche 4 bezogen auf die Zeit. Gleichzeitig ändert sich bei Verschiebung der Blase auch der Schwerpunkt proportional zur Bewegung der Blase, so daß auch diese Schwerpunktverschiebung proportional zum integrierten Wert der Neigung der Oberfläche 4 erfolgt.

¹ An Hand von F i g. 3 wird das erfindungsgemäße Prinzip weiter erläutert, nach dem die, integrierende Libelle t/ bei einem Kreiselkompaß einzusetzen ist. Das nur schematisch angedeutete Kreiselgehäuse mit dem darin enthaltenden Kreisel weist eine Drehimpuls- bzw. Drallachse auf, die längs der Linie A-B verläuft. Die Ballistik ist wiederum mit 6 bezeichnet und besteht aus den Gefäßen 7 und 8 sowie einem diese verbindenden Rohr 10. Die Gefäße 7, 8 und das Rohr 10 sind bis zu einem bestimmten Pegel mit einer Flüssigkeit 9 gefüllt.. Die Ballistik 6 und das KreiselgehäuseS bewegen sich als ein System um eine Welle 11, die die Linie A-B unter einem rechten Winkel, wie bei bisher bekannten Kompassen, schneidet.

Ist die an Hand von Fi g. !erläuterte integrierende Libelle U an das Kreiselgehäuse 5 parallel zur Linie A-B, wie in Fig. 3 dargestellt, befestigt, so wirkt eine Verschiebung des Schwerpunktes des Erzeugers U auf ilen Kreisel als ein Moment um die horizontale Welle 11. Selbst wenn das Moment einen Maximalwert erreicht hat, wenn die Blase 3 an einem

ίο Ende des Gefäßes verbleibt, so bewegt sich die Drehinipulsachse des Kreisels im wesentlichen um die Nordrichtung und kommt auf Grund der Wirkung der Ballistik 6 und der nicht gezeigten Dämpfungseinrichtung zur Ruhe. Dabei wird vorausgesetzt, daß die Viskosität der Flüssigkeit 2 so gewählt ist, daß das Moment in ausreichender Weise kleiner als das durch die Ballistik 6 erzeugte Moment ist und daß die Bewegungsgeschwindigkeit der Blase 3 im Vergleich zu der der Flüssigkeit in der Ballistik 6 ausreichend klein ist.

Auf der nördlichen Halbkugel jedoch kann die

Drehimpulsachse Λ-ß nicht zur Ruhe kommen, es ,sei denn sie neigt sich so, daß ihre Nordseite immer höher liegt als ihre Südseite, wenn der Ruhezustand erreicht wird.

Da die Drehimpulsachse mithin eine mehr oder weniger große wie angegebene Neigung aufweist, wenn die Bewegung in einen Ruhezustand gelangt, so bewegt sich auch die Blase 3 allmählich und gcnan weiter in Richtung auf die Nordseite und die Verschiebung des Schwerpunktes der integrierenden Libelle U ruft ein Moment hervor, das allmählich die Südseite in Richtung der Gravitationskraft herunterdrückt. Der Kreisel sucht damit die Nordrichtung der Art, daß das Moment der integrierenden Libelle U durch ein durch, die Ballistik 6 hervorgerufenes Moment beseitigbar ist. Damit wird ein stabiler stationärer Punkt des Kreisels zwangsweise in folgender Weise festgelegt:

Ein stabiler Punkt bedeutet, daß das Moment der integrierenden Libelle U konstant ist und einö Differenz zwischen diesem Moment und dem der Ballistik 6 als konstantes Moment um die horizontale Welle 11 verbleibt und daß eine durch das resultierende Moment hervorgerufene Präzession mit der Drehkomponente um die vertikale Achse der Erdoberfläche an der Stelle, an der der Kreisel angeordnet ist, übereinstimmt. Das heißt, die Drehimpulsachse verbleibt in horizontaler Stellung, wenn das Moment der Libelle U konstant wird. Hierbei wird die Flüssigkeit der Ballistik 6 in den Gefäßen 7 und 8 im Gleichgewicht gehalten, und die Ballistik 6 übt kein Moment aus. Die Blase 3 der Libelle U kommt damit an einem bestimmten Ort auf der Nordseite zum Stillstand, und ein Moment um die horizontale Achse auf Grund der Verschiebung des Schwerpunktes wird gleich einem Wert, der der Präzession um die verti-_r. kale Achse des Kreisels entspricht, die gleich der vertikalen Drehkomponente der Erde an dieser Stelle ist.

Durch die Verwendung der Libelle U ist also der

, stationäre Punkt der Kreiseldrehimpulsachse genau horizontal, so daß das Moment um die vertikale Achse, das vom Dämpfungssystem hervorgerufen wird, am stationären Punkt auch gleich Null wird. Damit treten keinerlei Breitenfehler hinsichtlich der Drehimpulsachse mehr auf, d. h. der Winkel </'" wird zu Null.

weiter gesteigert, so steigt die feste Kugel 31 in der Flüssigkeit etwas nach oben, so daß die Innenfläche 4 und die Kugel 31 nicht in direkte Berührung kommen und eine Reibung zwischen Innenfläche 4 und 5 Kugel 31 beseitigt ist.

Es bietet keine technische Schwierigkeiten, die in . F i g. 6 gezeigte Vorrichtung auf dem Kreisehjehäuse 5 oder einem Teil von dessen Abstützung anzubringen, und die Speisung des Motors 42 kann von der den

F i g. 4 zeigt eine andere integrierende Libelle U.
Das Gefäß und die darin enthaltene viskose Flüssigkeit sind die gleichen wie nach Fig. 2, und es sind
die gleichen Bezugszeichen gewählt. An der Stelle 30
jedoch ist Quecksilber, im Behälter 1 eingeschlossen.
Die spezifische Dichte von Quecksilber ist größer als
die der viskosen Flüssigkeit 2, und daher sinkt dieses
in der Flüssigkeit 2 ab und verbleibt auf Grund seiner
Oberflächenspannung etwa in der in der Figur dargestellten Forin. Die Innenfläche des Gefäßes 1, mit io Kreisel antreibenden Quelle aus erfolgen, der das Quecksilber 30 in Berührung kommt, ist Die Vorrichtung nach Fig. 6 läßt sich auch mit

gleichartig ausgebildet wie in Fig. 2. Das Queck- der in Fig. 4 gezeigten Libelle U verwenden. Es ist silber 30 bewegt sich bei schräg liegender Ober- auch nicht unbedingt erforderlich, den Behälter 1 fläche 4 zum unteren Ende des Behälters 1 hin und stets nur in einer Richtung zu drehen, vielmehr kann ' die Geschwindigkeit ist dabei je nach der Viskosität 15 die Bewegung bei etwa gleicher Wirkung auch so der Flüssigkeit 2 und der Neigung des Behälters 1 erfolgen, daß die Drehung periodisch vorwärts und festgelegt. Der Schwerpunkt der gesamten Einheit rückwärts mit einer gewissen Amplitude erfolgt, verändert sich damit ebenfalls proportional zu einem

integrierten Wert der Neigung bezogen auf die Zeit, so daß sich bei dieser integrierenden Libelle sinngemäß die gleiche Wirkung wie bei der in Verbindung mit F i g. 2 beschriebenen zeigt. Im allgemeinen wird ein flüssiger Stoff mit großer Oberflächenspannung und größerem spezifischem Gewicht als dem der viskosen Flüssigkeit 2 an Stelle von - Quecksilber *5 verwendet.

F ig. 5 zeigt eine weitere integrierende Libelle, die sich im Aufbau von den obenbeschriebenen dadurch unterscheidet, daß eine feste Kugel 31 in einem mit einer hochviskosen Flüssigkeit 2 gefüllten Behalter eingeschlossen ist. Neigt sich die Innenfläche 4, so bewegt sich auch die feste Kugel 31 zu einem tiefer liegenden Punkt des Behälters 1, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die proportional zur Neigung des Behälters 1 ist. ₍

Die Verwendung einer Blase 3 mit der in F i g. 2 gezeigten Libelle U ergibt zwar eine hohe Genauigkeit, jedoch ist sie zum Erhalt eines erwünschten, möglichst großen Drehmomentes weniger geeignet. Bei den in den F i g. 6 'und 7 gezeigten integrierenden Libelle U weisen die sich bewegenden Teile großes spezifisches Gewicht auf, so daß das resultierende Moment wesentlich größer ist als bei der in F i g. 2 gezeigten integrierenden Libelle U, selbst wenn ein relativ kleines Gefäß verwendet wird.

In F i g. 6 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem die Reibung zwischen einem bewegten Teil 31 und der Innenfläche 4 des Behälters 1 bei einer an Hand von F i g. 5 beschriebenen Libelle U beseitigt und die Gesamtreibung wesentlich herabgesetzt ist. Der Behalter 1 besteht aus einem Zylinder 32, Verschlußkappen 33 und 34 sowie Wellen 35 und 36, und die Achse der Wellen 35 und 36 verläuft genau längs der Zylinderachse. Der Behälter 1 enthält eine hochviskose Flüssigkeit 2, die die gleiche wie die in F i g. 7 ist, sowie eine feste Kugel 31. Die Wellen 35 und 36 sind in Kugellagern 37 und 38 gelagert, die jeweils in Lagerböcken 39 und 40 gehalten sind, die auf einer Auflage 41 fixiert sind. Ein auf der Auflage befestigter Motor 42 treibt über ein Ritzel 43 und ein Zahnrad 44 das Gefäß 1 an. Durch die Drehbewegung des Behälters 1 wird erreicht, daß auf Grund der Viskosität der Flüssigkeit 2 zwischen der Kugel 31 und der Innenfläche 4 stets ein Ölfilm vorhanden ist. Wird die Umdrehungsgeschwindigkeit ⁶S

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kreiselkompaß mit einem Kreiselelement, welches astatisch aufgehängt ist und Drehfreiheit um eine rechtwinklig zu seiner Drehimpulsachse verlaufenden vertikalen Achse und um eine rechtwinklig zu letzterer verlaufenden horizontalen Achse hat; mit einer Lotfesselung des Kreiselelements bezüglich der horizontalen Achse zur Erzielung der Nordeinstellung; mit einer Dämpfung, die ein den Schwingungen des Kreiselelements um die vertikale Achse entgegenwirkendes Moment erzeugt, und mit einem Drehmomentgeber, der auf das Kreiselelement um die horizontale Achse ein dem Zeitintegral der Neigung der Drehimpulsachse gegen die Horizontebene proportionales Drehmoment ausübt, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer mit einer Flüssigkeitsballistik (6) herbeigeführten Lotfesselung der integrierende Drehmomentgeber eine an sich bekannte integrierende Libelle ist, die aus einem geschlossenen zylindrischen" Behälter (1) besteht, der mit einer viskosen Flüssigkeit (2) gefüllt ist, innerhalb welcher ein bewegliches Teilvolumen durch einen Stoff von abweichender Dichte eingenommen ist, der sich nicht in der Flüssigkeit verteilt.

2. Kreiselkompaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das bewegliche Teil- , volumen der Libelle bildende Stoff in an sich bekannter Weise eine Luftblase(3) ist (Fig.2).

3. Kreiselkompaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das bewegliche Teilvolumen der Libelle bildende Stoff in an sich bekannter Weise eine schwerere Flüssigkeit (30) beliebiger Viskosität, z.B. Quecksilber, ist (Fig. 4).

4. Kreiselkompaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das bewegliche Teilvolumen der Libelle bildende Stoff ein schwererer, kugelförmiger Feststoff (31) ist (F i g. 5).

5. Kreiselkompaß nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Antrieb (42 bis 44), der dem Behälter der Libelle eine Rotation um seine Längsachse erteilt (F i g. 6).

6. Kreiselkompaß nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung periodisch wechselt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen