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Kreiselstabilisierte Plattform Die Erfindung betriftt ein Kreiselgerät
und insbesondere eines von der unter dem Namen "Kreiselstabilisierte Plattform"
bekannten Bauart.
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Die Yotwendigkeit erhöhter Navgationsgenauigkeit, insbesondere bei
Militätflugzeugen und Flugkörpern führte zur entwicklung von sehr genau arbeitendne
trägheitsstabilen Plattformen. Bekannte sehr genaue, flugstabile Plattformen dieser
Bauart verwenden schwimmende Tragheitselemente. Schwimmende Trägheitselemente sind
sehr kostspielig, schwierig herzustellen und brachten neue Probleme hinsichtlich
ihrer Bedienung und Zuverlässigkeit mit sich. Da die Trägheitselemente schwimmend
gelagert sind, muß das Schwimm-Strömungsmittel ständig in einem vorherbestimmten
Temperaturbereich gehalten werden, um richtig zu arbeiten; wenn das Strömungsmittel
nicht innerhüib dieses Temperaturbereiches gehalten wird, schließt die anfängliche
Aufwärmzeit die Verwendung insbesondere bei gewissen mitlitärischen Anwendungsfällen
aus. Ein
weiterer Nachteil dieser bekannten trägheitsstabilen Plattformen
besteht darin,- daß sie übermäßig groß, schwer und kompliziert sind,
das Ftauptziel der Erfindung darin, ein kreiselstabilisiertes Bezugegerät zu schaffen,
welches genau, zuverlässig und relativ einfach in der Bedienung ist.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein kreiselstabilisiertes
Bezugegerät zu schaffen, welches keine schwimmenden Trägheitselemtne verwendet und
da durch die mit schwimmender Lagerung ver-bundenen Prohleme vermeidet und im wesentlichen
dieselbe Genauigkeit aufweist.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein genaues und verlässliches
kreiselstabilisiertes Bezugsgerät zu schaffen, welches geringe Abmessungen und geringes
Gewicht hat, sowie relativ einfach herzustellen und zu bedienen ist.
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Diese und andere Ziele werden mit Hilfe der Erfindung erreicht, bei
welcher gemäß einem bevorzugten Ausfiihrungsbeispiel ein Vertikalkreisel mit zwei
Freiheitsgraden und ein kreisel mit einem Freiheitsgrad verwendung finden, die in
einem gemeinsamen bezüglich der Längsneigung stabilisierten Kardanring angeordnet
sind.
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Der längsneigunsstabilisierte Kardanring ist seinerseits schwenkbar
in einem querneigungsstabilisierten Sardanring befestigt, der seinerseits um die
Querachse des Fahrzeuges drehbar gelagert ist. Bei dem bevorzugten Ausfffhrungsbeispiel
ist der Kreisel mit einem Freiheitsgrad auf einem im Azimut stabilisierten Bauteil
befestigt, das schwenkbar an dem Längsneigungs-Kardanring befestigt ist, wodurch
praktisch dem Kreisel mit einem Freiheitsgrad ein zweiter Freiheitsgrad gegeben
wird, damit er Xichtungsw kreisel-Informationen abgeben kann. Auf dem im Azimutstabilisierten
Bauteil sind erste und zweite, auf Beschleunigungen ansprechende Vorrichtungen befestigt,
um ein Signal zu erzeugen, welches der Verkippung des genannten Bauteiles entspricht,
um den Querneigungs- und Längsneigungskardanring zu stabilisieren. Durch Verwendung
der aus der US- Patentschrift 2 970 480 bekannten Prinzipien in Verbindung mit der
oben kurz beschriebenen bevorzugten Ausführungsform wird eine, einem lrägheits-Kreisel
entsprechende Genauigkeit erzielt, ohne daß ene schwimmende Aufhängung des Kreisels
verwende-t wird. Darüber hinaus bewirkt die Verwendung eines großen ringförmigen
Lagers die Zugänglichkeit zu den Bauteilen des stabilisierten Bezugsgerätes zur
leichten Bedienung durhc die Lageröffnung hindurch. Durch dieses merkmal kann das
Gerät kompkater hergestellt werden, das die Offnung in dem ringförmigen mager so
groß ist, daß
ein Teil des stabilisierten Bezugsgerätes während
des Betriebes durch die Öffnung schwingen kann. In anderer Hinsicht wurde das stabilisierte
Bezugsgerät dadurch kompakter, daß der Vertikal-Kreisel mit seinem Längsneigungs-Kardanring
nicht mehr außerhalb, sondern innerhalb gelagert ist.
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Weitere Vorteile und- Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung.
In dieser zeigen: Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines kreiselstabilisierten
Bezugsgerätes nach der Erfindung Fig. 2 einen teilweise geschnittenen Aufriß eines
kreiselstabilisierten Bezugsgerätes mit zwei Kreiseln, Fig. 3 eine Unteransicht
des Gerätes nach Pig. 2; Pig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4 - 4 der Pig. 2 und
Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie 5 -5 der-Fig. 4.
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In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 ist eine kreiselstabiliserte
Plattform 1 dargestellt, die zur Bewegung in einem Gehäuse 2 angeordnet ist, welches
seinerseits z.B. bezüglich eines Luftrahinens 3 fest
angeordnet
ist. Der äussere Querneigungs-Kardanring 4 der stabilisierten Plattform 1 ist zur
Drehung um eine Achse 5 befestigt, die mit der Längsachse
um welche es rollt, zusammenfällt. Der äussere Querneigungs-Kardanring 4 ist drehbar
um die Achse 5 befestigt, und zwar mittels großer, mit Abstand angeordneter ringförmiger
Lager 10 und 11, die zur Vereinfachung der Fig. 1 in den Fig. 2 und 3 dargestellt
sind.
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Die inneren Laufringe 12 und 13 der Lager sind mit entsprechenden
Fortsätzen des äusseren Querneigungs-Kardanringes 4 verbunden. Die entsprechenden
äusseren Laufringe 15 und 16 der mit Abstand angeordneten Lager 10 und 11 sind im
Gehäuse 2 mittels entsprechender am Umfang liegender mit Abstand angeordneter stoßsicherer
Lagerungen 17 und 18 befestigt. Die großen Rolllager 10 und 11 gestatten volle Neigungsfreiheit,
während sie in einer näher zu beschreibenden Weise eine minimale Ausdehnung in Richtung
der Achse 5 mit sich bringen. An dem äusseren Querneigungs-Kardanring 4 ist ein
äußerer Neigungs-Kardariring 20 der stabilisierten Plattform 1 drehbar mittels mit
Abstand angeordneter Zapfen 21 und 22 angeordnet, un sich ujil eine Achse 23 zu
drehen, die senkrecht zur Achse 5 ist.
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Die Achse 23 ist normalerweise parallel zur Querachse des Fahrzeuges,
um welche das Fahrzeug sich längs-neigt. biii Vertikalkreisel 24 mit zwei Freiheitsgraden
hat seinen äußeren Karadanring 25 an dem äußeren Längsneigungs-Kardanring 20 drehbar
gelagert, und zwar mittels mit Abstand angeordneter
Bolzen 26 und
27 zur Drehung um eine. Achse 28, die parallel zur Achse 23 ist. Aus Gründen der
Platzersparnis sind die Bolzen 26 und 27 auf der Innenseite des Kardanringes 25
angeordnet. Der innere Kardanring 29 des Vertikal-Kreisels 24 ist seinerseits drehbar
auf dem äußeren Kardanring 25 befestigt, um sich um eine Achse 30, die normalerweise
zur Achse 5 parallel ist, zu drehen, und zwar mittels mit Abstand angeordneter Bolzen
31 und 32. Der Vertikalkreisel 24 weist einen Rotor 33 auf, der sich um eine normalerweise
vertikale Achse 34 in dem Kardanring 29 dreht.
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Um azimutale Bezugsinformationen zu erhalten9 ist ein zweiter Kreisel
35 mit Richtungseigenschaften auf einem Teil des äußeren Längsneigungs-Kardanringes
20 befestigt, der sich auf der anderen Seite der Achse 23 erstreckt. Vorzugsweise
ist der zweite Kreisel 35 ein Kreisel mit einem einzigen Freiheitsgrad, der auf
einer Plattform 36 befestigt welche mittels mit Abstand angeordneter Bolzen 57-und
38 am äußeren Längsneigungs Kardanring 20 gelagert ist Die Plattform 56 ist bezüglich
des Azimutes stabilisiert, und zwar in einer noch zu erklärenden Weise um eine Achse
40, die normalerweise mit der Achse 34 parallel ist oder mit ihr zusammenfällt.
Vermöge der Befestigung des Kreisels 35 auf der Plattform 36, die auch in noch zu
beschreibender Weise längs- ind querneigungsstabilisiert ist, kann der Kreisel 35
ein Kreisel -mit einem einzigen Freiheitsgrad sein, der aufgrund seiner Aufstellung
Azimutinformationen abgibt, die mit denen eines Richtungskreisels
mit
zwei Freiheitsgraden vergleichbar sind. Ein auf Beschleunigung ansprechendes Bauteil
in Form einer Libelle 41, die auf Beschleunigungen in der Nord-Süd-Richtung und
Kippen der Plattform 36 anspricht, ist ebenfalls auf der Plattform 36 befestigt.
Eine weitere ähnliche Libelle 42, die auf Beschleunigungen in der Ost-West-Richtung
und auf Kippen anspricht, ist ebenfalls auf der Plattform 36 befestigt.
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Wie ersichtlich, kann ein Richtungskreisel mit zwei Freiheitsgraden
unmittelbar an dem äußeren Längsneigungs-Kardanring 20 anstatt des Kreisels 35 mit
einem freiheitsgrad, welcher auf der Plattform 36 angebracht ist, befestigt werden,
um einen Azimutbezug zu erhalten. In diesem falle können die Libellen 41 und 42
an dem vertikalen Kardanring des Richtungs-Kreisels mit zwei Freiheitsgraden befestigt
sein, um auf Kippen und Beschleunigungen in der Nord-Süd sowie Ost-West-Richtung
anzusprechen. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist es nicht notwendig,
einen Richtungskreisel mit zwei Freiheitsgraden zu verwenden, da der Kreisel 35
mit einem Freiheitsgrad, der in den Querneigungs- und Längsneigungsstabilisierten
-Kardanringen 4 bzw. 20 in der gezeigten Weise gelagert ist, den äußeren Längeneigunge-
Kardanring 20 vertikal hält, und zwar auch während des Manövrierens, und gestattet
so die Verwendung eines Kreisels 35 mit einen Freiheitsgrad und niedriger Drift
anstelle eines teueren und komplizierten Kreisels mit zwei Fre@heitsgraden.
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Die Arbeitsweise des Systems wird nun in bezug auf einen angetrieben
Kr-eisel mit Azimutarbeitsweise beschrieben, ein elektrisclies bei dem eine Plußröhre/Signal
erzeugt, das ein Maß für den magnetischen Kurs des Fahrzeuges ist. Die Flußröhre
43 ist mit einem Regeltransformator 44 verbunden und gibt ein elektrisches Kurssignal
auf dessen #### Stator, während der Rotor des Regeltransformators 44 zur Drehung
mit -einer Azimut-Servowelle 45 verbunden ist. Ein elektrisches Signal, welches
der Differenz zwischen den verschiedenen Stellungen des Rotors und des Stators des
Regeltransformators 44 entspricht, wird in einem Verstärker 46 verstärkt, in einem
Demodulator 47 demoduliert und dann dem Drehmoment-Geber-Teil einer kombinierten
Aufnahme- und Drehmoment-Einrichtung 50 O des Azimutkreisels 35 zugeführt. Die Kombinierte
Aufnahme- und Drehmomentgeber-Einrichtung 50 kann von jener Art sein, die in der
am 31. Mai 1960 eingereichten US- Anmeldung Ser.No. 32- 780 beschrieben ist. Ein
der Erdgeschwindlgkeit entsprechendes Korrektursignal wird an einen Eingangs anschluß
des algebraischen Summierverstärkers 46 gegeben, um die Wirkungen der Erddrehungsgeschwindigkeit
auf den Kreisel 35 zu korrigieren. Der Kreise 35 präzediert im Azimut gemäß der
Drehbewegung der Aufnahme-und Drehmomentgeber-Einrichtung 50. Die Präzession bewirkt
ein Signal aus einem Regeltransformator 54, welcher auf die azimutale Stellung der-Plattform
36 anspricht. Das Signal vom Regel. transformator 54 wird in einem Verstärker 55
verstärkt
und treibt einen Servomotor 57, um die Azimutservowelle
45 durch ein Getriebe 58 in eine Stellung zu bewegen, welche bewirkt, daß das Signal
vom Regeltransformator 44 auf Null geht. Das angetriebene Azimutkreiselsystem wirkt
damit in ähnlicher Weise, wie es in der US- Patentschrift 2 808 656 beschrieben
ist.
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Die Drehung der Azimutservowelle 45 bewirkt auch eine Drehung des
Rotorteiles der
| Auf- |
| liiiitl öse einrichtung |
60 und des Rotors ein Synchronübertragers 61, welche beide damit verbunden sind.
Die Auflöseeinrichtung 60 kann von jener Art sein, wie sie in der US- Patentschrift
2 591 697 beschrieben ist. Ein Synchronübertrager 61 ist derart verbunden, daß er
ein Azimutsignal an den Kegeltransformator 54 liefert, und kann darüber hinaus auf
solehe Weise verbunden sein, daß er Kurssignale in das Steuer- oder Waffensystem
des Flugzeuges gibt. Der Rotor eines Synchronübertragers 62 kann auch entsprechend
der azimutalen Lage der Plattform 36 ausgerichtet sein und sein Stator ist auf dem
Längsneigungs-Kardanring 20 befestigt, damit der Stator dem Steuer- oder Waffensystem
des Flugzeuges ein Azimutalsignal zuführt. Das abhängige Azimutalkreiselsystem arbeitet
somit in ähnlicher Weise, wie dies inder bereits erwähnten US- Patentschrift 2 80d
656 beschrieben ist. Die Drehachse des Azimut-Kreisel 35 wird mittels des Signals
von der Aufnahme- und Drehmomentgeber-Einrichtung 50 eben gehalten, wobei das Signal
in einem Verstärker 51 verstärkt wrd, bevor es den Drehmomentgeber
53
in Drehung versetzt. Die Wirkung des Drehmomentgebers 53, welcher die Plattform
36 im Azimut zu drehen sucht, bewirkt, daß die Drehachse des Azimutkreisels 35 in
ebene Lage zurückkehrt und dadurch das Aufnahnesignal eliminiert.
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Der Vertikalkreisel 24 hat eine mit seinem äußeren Kardanring 25 verbundene
Aufnahmeeinrichtung 65, welche ein Signal, welches der Längsneigung des Flugzeuges
entspricht, einem Längsnei- -gungsdrehmomentgeber 66 zuführt, der derart befestigt
ist, daß er den Längsneigungs-Kardanring 20 darauf antreibt, daß er ihn invertikatler
hält, d.h. ihn trotz der Manöver oder des Kippens des Fahrzeuges stabilisiert. Eine
mit dem Kardanring 29 verbundene Quernigungs-Aufnahmeeirncihtung 67 führt Querneigungsdrehmomentgeber
68 ein der Querneigung des Sahrzeuges entsprechendes Signal zu, wobei der Geber
derart befestigt ist, daß er den Querneigungs-Kardanring 4 derart antreibt, daß
er ihn trotz der Manöver des Pahrzeuges ; in horizontaler oder stabilisierter Lage
hält.
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Auf der Plattform 36 ist eine Libelle 41 befestigt, welche horizontale
Beschleunigungen, z.B. in Ost-West-Richtung und Kippen der Plattform um eine Nord-Süd-Achse
wahrnehmen wI son Das Signal von der Libelle 41 wird in einem Verstärker 70 verstärkt
und einem Eingangsanschluß der Auflöseeinrichtung 60 zugeführt. Die Lebelle 42 ist
derart auf der Plattform 36 ausgerichtet, daß sie horizontale Beschleunigungen in
einer Nord-
Südrichtung und das Kippen der Plattform 36 um eine
Ost-West-Achse aufnimmt. Die Libelle 42 ist mit einem Eingangsschluß eines Summierverstärkers
71 verbunden, der se, nerseits mit einem weiteren Eingangsanschluß der Auflöseeinrichtung
60 verbunden ist. Um die Signale von den Libellen 41 und 42 von Erdkoordinaten auf
Flugzeukoordinaten zu übertragen, werden die Signale der Libellen in der Auflöseeinrichtung
60 in jener Weise nach dem Kurs des Flugzeuges aufgelöst, wie dies ähnlich in der
bereits erwähnten US- Patentschrift 2 591 697 beschrieben ist. Einem weiteren Eingangsanschluß
des algebraischen Summierverstnrkers 71 wird ein Korrektursignal eingeprägt, welches
der Erddrehungsgeschwindigkeit entspricht, um die Wirkungen der Brddrehungr auf
die Libellen 42 zu korrigieren.
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Ein Ausgangsanschluß der Auflpseeinrichtung 60 ist durch einen Verstärker
72 und einen Demodulator 73 mit einem Löngsniegungs-Dremomentgeber 74 verbunden,
ujn ein Drehmoment auf den Kardanring 25 zu geben. Der andere Ausgangsanschluß der
auflöseeinrichtung 60 ist über einen Summierverstärkers 75 und einen Demodulator
76 mit dem querneigungsdrehmomentgeber 77 verbunden, um an den karda@ring 29 ein
Drehmoment zu legen. Ein der echten Geschwindigkeit in der Luft des Flugzeuges entsprechendesn
Signal (TAB, Fig. 1) wird an einen Eingangsanschluß des algebraischen Summierverstärgers
75 gelegt, um die Wirkung der effextiven Fahrzeuggeschwindigkeiten
in
nördlicher und östlicher Richtung auf die Libellen 41 bzw. 42 zu korrigieren, damit
die von den Libellen 41 und 42 abgegebenen Signale nur der Neigung entsprechen und
die Wirkungen der Plugzeugbeschleunigung außer Acht lassen, da die PlugzeugbescheAunigungswirkungen
in bekannter Weise kompensiert oder reduziert werden. Dies ist der Einfachheit halber
nicht dargestellt. Die von den Signalen der Auflöseeinrichtung 60 bewirkte Präzession
des vertikalen Kreisels 24 erzeugt ihrerseits Pehlersignale in den Aufnahmeeinrichtungen
für Längsneigung 65 bzw. Rollen 67, welche beide derart befestigt sind, daß sie
auf die entsprechenden Längs-und Querneigungsbewegungen des vertikalen Kreisels
24 ansprechen.
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Die Längs- und Querneigungssignale sind derart verbunden, daß sie
Längs-und Querneigungs-Drehmomentgebermotüren 66 bzw.
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68 speisen, um die Längs-bzw. Querneigungs-Kardanringe 20 bzw. 4 anzutreiben
und um somit die Plattform 36 derart auszurichten, daß die Ausgangssignale aus den
Libellen 41 und 42 auf Null gehen.
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Der Rotor eines Synchronübertragers 80 ist entsprechend der Bewegung
des Querneigungs-Kardanringes 4 gerichtet und liefert ein der Querneigung entsprechendes
Signal an die Steuerungs-oder Wafensysteme des Flugzeuges. Der Rotor eines Synchrohübertragers
81 ist derart verbunden, daß seine Lage der Bewegung des Löngsneigungs-Kardanringes
20 entspricht und er gibt ein der
Längsneigung des
entsprechendes Signal an das Steuerungs-oder Waffensystem des Plugzeuges ab. Ein
wesentliches Merkmal zum Reduzieren der Driften beider Kreisel 24 und 35, die von
unerwünschten Drehmomenten herrühren, ist die Verwenaung des in der US- Patentschrift
2 970 480 beschriebenen Prinzips Wie in den Fig. 3 bis 5 gezeigt ist, ist jeder
Kardanring in Verbundlagern mit je einem äußeren, einem mittleren und einem inneren
Laufring befestigt. Eine Drehung des mittleren Laufringes an einem Ende des Kardanringes
erzeugt Drehmomente am anderen Ende desselben Kardanricnges in entgegengesetzter
Richtung. Es werden Drehmomente erzeugt, die denen entgegenwirken, die durch Drehung
des mittleren Laufringes des ersten Lagers erzeugt werden. Eine periodische Umkehr
der Drehung der mittleren Laufringe beider Lager mittelt die verbleibenden Drehmomente
und erzeugt ein sehr geringes Netto-Drehmoment an dem Kreisel, woraus sich eine
entsprechend niedrige Drift ergibt; die entsprechende Theorie und die dazugehörige
Anordnung sind vollständig in der bereits erwähnten US- Patentschrift 2 970 480
beschrieben.
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BE@ den Vertikalkreiseln 24 treibt ein Lagerantriebsmotro 85 die mittelern
Laufringe 86,87, 88 un 89 der entsprechendne zusammengesetzten Lager 90, 2 92 und
99 durch Kegelgetriebe 94, 95, 96 und 97 in der oben beschriebenen Weise Bei den
Azimutkreisein 35 treibt ein Lagerantriebsmotor 100 die mittleren Lagerringe 101
und 102 der entsprechenden susammengesetzten
Lager 103 und 104
mittels Kegelgetrieben 105, 106 und 107 an.
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Die Gesamtlänge des Gerätes 1 in Rich-tung der Achse 5 ist durch die
großen ringförmigen Querneigungslager 10 und 11, die in Fig. 2 deutlich gezeigt
sind, erheblich verringert worden; die lager gestatten es, nämlich daß ein Teil
des Gerätes durch die Öffnungen in-den ringförmigen Querneigungslagern 10 und 11
bei hohen Neigungswinkeln, wie durch punktierte Linien angedeutet ist, schwingen
kann. Die Gesamthöhe des Gerätes 1 in Richtung der Achse 40 wurde dadurch kleiner
gemacht, daß der vertikale Kreisel 24 mit seinem Längsneigungs-Kardanring 25 innen
am äußeren Längsneigungs-Kardanring 20 gelagert ist anstatt außen,, wie dies bisher
üblich warO Der äußere Längsneigungs-Kardanring 20 ist ein besnnders festes und
starkes Teil, dessen querverlaufendes Teil dazu ausgelegt ist, die Kreisel 24 und
75 in solcher Weise zu tragen, daß unerwünschte Wirkungen von auf das Gerät 1 wirkenden
Beschleunigungen auf ein Minimum reduziert werden.
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Es wird darauf hingewiesen9 daß zusätzlich zu den oben gm be schriebenen
weitere Korrektursignale in bekannter Weise ange legt werden können und zwar in
Abhängigkeit von dem Ånwendungsfalle, für den das Kreiselgerät bestimmt ist Patentansprüche
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