DE1473956A1 - Gyroskop - Google Patents

Gyroskop

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DE1473956A1
DE1473956A1 DE19651473956 DE1473956A DE1473956A1 DE 1473956 A1 DE1473956 A1 DE 1473956A1 DE 19651473956 DE19651473956 DE 19651473956 DE 1473956 A DE1473956 A DE 1473956A DE 1473956 A1 DE1473956 A1 DE 1473956A1
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Germany
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housing
gyro element
medium
liquid
axis
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DE19651473956
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English (en)
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Boswell Paul B
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General Electric Co
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General Electric Co
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    • G01C19/02Rotary gyroscopes
    • G01C19/04Details
    • G01C19/16Suspensions; Bearings
    • G01C19/20Suspensions; Bearings in fluid
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
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    • G01C19/02Rotary gyroscopes
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    • Y10T74/12Gyroscopes

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Description

  • Gyroskop Die Erfindung betrifft Gyroskope.
  • Bekanntlich sind fUr eine Navigation, Lenkung oder Steuerung verwandte Gyroskope verhaltnismäf3ig Icostspielige und Icomplizierte Instrumente, die innerhalb sehr enger Fehlergrenzen arbeiten müssen. Derartige Gyroskope sollten eine inhärente Stabilität besitzen, insbesondere wenn es sich um Kreiselgeräte zur Ablatebestimmung (displaoement gyroscopes) handelt, um durch äußere Vibrationen oder Stösse verursachte Fehler möglichst gering zu halten. Die inhärente Stabilität wird jedoch weiter durch Reibungskräfte und Unvollkommenheiten der verwandten Lagerverbindungen beeinflusst. Derartige Kräfte und Unvollkommenheiten verursachen eine statistische Abtrift und damit Ungenauigkeiten und Fehler.
  • Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, Nachteile und Schwierigkeiten dieser Art zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
  • Ein Gyroskop gemäß der Erfindung weist ein in einem Gehäuse angeordnetes Kreiselelement auf, in welchem Gehäuse ein Suspensionsmedium vorhanden ist, welches bei einer Rotation des Gehäuses mit diesem als Körper rotiert. Das Kreiselelement ist in dem Medium so suspendiert, daß der rotierende Flussigkeitskorper das Element von der Innenwand des Gehäuses in radialer Richtung distanziert und eine Einrichtung zum Rotieren des Kreiselelements um eine Achse darstellt, welche mit der Rotationsachse des Gehäuses zusammenfallt.
  • Vorzugsweise ist das suspendierende Medium eine Fliissigkeit, welche den Innenraum des Gehäuses teilweise mit einer solchen Menge ausfullt, daM das Kreiselelement schwimmt. Die axialen Enden des Kreiselelements sind von dem Gehäuse getrennt. Der rotierende Flussigkeitskorper begrenzt ausgerichtete Säulen auf gegenüberliegenden Seiten des Kreiselelements, die koaxial mit der Rotations achse liegen und den axialen Abstand des Kreiselelements bestimmen.
  • Das Gewicht des Kreiselelements ist geringer als dasjenige des von dem Element verdrangten Suspensionsmediul welches Volumen den erforderlichen Auftrieb gewährleistet. Das Ausmaß der fiir das Kreiselelement während des Betriebs durch die suspendierende Flüssigkeit ausgeübten radiale Steifigkeit hängt von der Dichte der Flüssigkeit ab. In wiinschenswerter Weise wird eine größere radiale Steifigkeit erzielt, wenn eine suspendierende Fliissigkeit verwandt wird, die eine größere Dichte als das Kreiselelement hat.
  • Vorteilhafterweise sind diese Säulen verhältnismäßig starr, um das Kreiselelement in axialer Richtung zwangsläufig zu positionieren. Sin bestehen etaweder aus einer zweiten Fliissigkeit, welche eine geringere Dichte als die erste Flüssigkeit hat und sich mit dieser nicht verDischt, oder aus einem komprimierten Gas. Diese zweite Flüssigkeit wird im folgenden als die leichtere Flüssigkeit oder das leichtere Gas bezeichnet.
  • Das Kreiselelement ist vorteilhafterweise als Kugel ausgebildet, insbesondere wenn es sich ein Verdrängungsgyroskop (disniacement gyroscope) hoher Genauigkeit handeln soll. Bei einem derartigen Gyroskop kann das Kreiselelement als Ilohlkugel mit einer Konzentration der Masse entlang deren Äquator ausgebildet sein, un1 den größtmöglichen Drehimpuls zu erzielen. Dieses Moment kann ferner in vorteilhafter Weise erhöht werden, indem für das Kreiselelement ein Konstruktionsmaterial Verwendung findet, das eine größere Dichte als das suspendierende Medium hat.
  • Die oben beschriebene Hinrichtung Icann als Meßgyroskop Verwendung finden, bei welchem die Rate der Prazess. ion des Kreiselelements die Rate der Winkelbeschleunigung angibt. Zweckmäßiger-Aveise werden durclisicitige Materialien für das Gehäuse und für den rotierenden Flüssigkeitskörper verwandt, um einen Vergleich einer Markierung an dem Kreiselelement mit Bezugsmarkierungen zu ermöglichen, damit eine visuelle Bestiinmung der Rate der Winkelbeschleunigung erfolgen kann.
  • Gemäß der Erfindung wird das Kreiselelement von en Enden des rotierenden Gehäuses durch die beiden erwähnten Säulen aus einem gasförmigen oder fliissigen Medium in einem Abstand gelialten.
  • Es wird eine Kammer vorgesehen, in welche ein Teil der leichteren Fliissigkeit oder des leichteren Gases abgezogen werden kann, wenn das Gehäuse mit der Kammer an dessen oberem Ende versehen wird.
  • Das Gehliuse wird dann umgekehrt und gedreht, wenn der Kolben in die Kammer zuriickgezogen wird, um eine zweite Säule aus dem leichteren Medi. um an dem gegenüberliegenden Ende des ICreiselel emerti arorzusehen.
  • Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen : Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Vorderansicht eines Gyroskops gemäß der Erfindung ; Fig. 2 einen Teilschnitt durch dieses um eine vertikale Achse rotierenden Gyroskops ; Fig. 3 eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung ; Fig. 4 und 5 Ansichten des in Fig. 3 dargestellten Gyroskops in unterschiedlichen Lagen ; Fig. 6 und 7 Schnittansichten eines abgewandelten AusfUhrungsbeispiels der Erfindung, welche zur ErlWuterung von Verfahrewnsschritten dienen ; und Fig. 8 eine Schnittansicht entlang der Linie VIII-VIII in Fig. 6.
  • Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Gyroskop hat ein äußeres Gehäuse 10 mit ausgerichteten-Lagerzapfen 12,14 an gegenüberliegenden Enden, welche in relativ befestigten Lagern 16, 18 an einem Tisch 20 drehbar gelagert werden. Irgend eine geeignete Einrichtung kann Verwendung finden, um das Gehäuse 10 zu drehen.
  • Bei diesem Ausfuhrungsbeispiel ist ein Motor 22 dargestellt, weloher über ein Band 24 und Antriebsrollen 26,28 den Drehzapfen 12 antreibt. In Fig. 1 und 2 treibt der Motor das GohOuse 10 an, welche um eine Achse r mit einer verhiltnism§ßig hohen Drehzahl rotiert, welche für ein Gyroskop gewffihnlich etwa 10000 Udrehungen pro Minute oder mehr betrigt.
  • Das Gehäuse 10 ist teilweise mit einer ersten Flüssigkeit 30 ausgefüllt, welche aufgrund der Rotation des GehWuses als ein Körper rotiert, dessen Ausbildung der Ausbildung der in Longsrichtung liegenden Innenfläche des Gehäuses 10 entepricht. Ebenfalls in dem GehXuse 10 ist ein Kreiselelement 32 angeordnet, dessen Gewicht kleiner als dasjenige der von dem Element verdrängten Menge der Fldssigkeit 30 ist. Da das Kreiselelement 32 in Flüssigkeit 30 durch Auftriebskraft suspendiert ist, wird es durch den rotierenden Flüssigkeitskörper auf die Rotationsachse des Gehäuses zentralisiert und weist somit in radialer Richtung von der Innenfläche des Gehäuses 10 einen Abstand auf. Die aufgrund der Viskosität der Flüssigkeit 30 auftretende Reibung ermöglicht einen Drehantrieb auf das Kreiselelement 32 um eine Spinachse s, welche mit der Gehäuseachse r zuaammenfällt. Die Umdrehungszahl des Kreiselelements 32, sowie die Umdrehungszahl des FlUssigkeitskörpers 30 stimmen im wesentlichen mit der Umdrehungszahl des Gehäuses 10 überein.
  • Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, hat das Kreiselelement 32 einen Abstand von den gegenüberliegenden axialen Enden des Gehäuses 10. Die Flüssigkeit 30 füllt nur zum Teil den Innenraum des GehXuses 10 aus, weloher durch das Kreiselelement 32 nicht eingenommen wird. Der rotierende Flüssigkeitskörper 30 begrenzt an gegenüberliegenden axialen Enden des Elements 32 ausgerichtete Saule 34, die koaxial zu den Achsen r und s verlaufen. Die durch den rotierenden Flüssigkeitskörper 30 begrenzten Säulen 34 dienen zur axialen Anordnung des Elements 32. Die Säulen 34 sind gewöhnlich mit einem Medium 36 ausgefüllt, welches im folgenden als das zweite Medium bezeichnet wird. Dieses zweite Medium kann entweder ein Gas oder eine Flüssigkeit sein, welches die bereits erwdhnten physikalisohen Eigenschaften hat.
  • Damit das Kreiselelement in axialer Richtung relativ zu dem Gehäuse 10 zwangsläufig gefuhrt wird, sollen die Säulen 34 zumindest im wesentlichen starr sein. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, daß das Medium 36 eine Flüssigkeit ist, da alle reinen Flüssigkeiten praktisch inkompressibel sind. Die Auswahl einer geeigneten inkompressiblen Flüssigkeit ist jedoch einfach, da in bekannten Nachschlagwerken die KompressibilitXt der meisten Flüssigkeiten nachgesehen werden kann. Das Medium 36 kann auch ein komprimiertes Gas sein, dessen Druck so hoch ist, daß das Kreiselelement in axialer Richtung zwangsläufig geführt wird.
  • Das Volumen der Flüssigkeit 30 reicht aus, um eine ununterbrochene Bedeckung des Kreiselelements 32 entlang eines Umfangsabschnittes davon zu ermöglichen. Der Durchmesser der Solen 34 kann zwischen einem Betrag liegen, der fUr einen derartigen Kontakt ausreicht und einem unteren Betrag, der eine Aufrechterhaltung des Auftriebs des Elements 32 und die gewünschte axiale Steifigkeit zur Stützung des Elements 32 ermöglicht.
  • Die Durchmesser der Säulen 34 sind vorzugsweise gleich, so daß der Kontakt der Flüssigkeit 30 mit dem Element 32 auf gegenüberliegenden Seiten einer senkrecht zu der Achse s verlaufenden Mittelebene symmetrisch ist. Diese Beziehung kann erzielt werden, wenn das Medium 36 eine Flüssigkeit ist, indem gleiche Volumen der Flüssigkeit auf gegenuberliegenden Seiten des Elements 32 vorgesehen werden. Wenn das Medium 36 ein Gas ist, kbnnen gleiche Durohmesser erzielt werden, indem ein gleicher Druck und gleiche Volumen in den beiden Säulen vorgesehen werden, wenn die Spinaohse r horizontal verläutt.
  • Die Durchmesser der Säulen 34 hangen von deren Volumen ab.
  • Jedoch wird die Gestalt dieser Säulen in wesentlichen nicht von dem Druck oder durch das jeweils verwandte Medium 36 beeinflusst. Fig. 2 zeigt das um 90° serdrehte Gyroskop, wobei die Achsen r und s vertikal angeordnet sind. Die Säulen 34 nehmen wegen des Einflusses der Schwerkraft eine etwas parabolische Gestalt an. Bei einer Drehzahl von etwa 10000 Umdrehungen pro Minute ist die in Fig. 2 dargestellte parabolische Gestalt stark übertrieben und zeigt die ungefthre Gestalt dieser Säulen, welche in einem 150 mal starkeren Schwerefeld vorhanden wäre. Ein derartiger Zustand könnte auftreten, wenn das Gyroskop in einer axialen Richtung beschleunigt wird. Diese Tendenz, eine parabolische Gestalt aufgrund von Schwerkraft oder Beschleunigungskrdften anzunehmen, wird jedoch im wesentlichen nicht durch die Art des Mediums 36 beeinflusst, wenn die Dichte des Kreiselelements 32 und der suspendierenden Flüssigkeit 30 nicht sehr unterschiedlich sind.
  • Das Gewicht des Kreiselelements 32 ist kleiner als das verdringte Volumen des suspendierenden Mediums, zum Beispiel der Pldssigkeit 30, welche eine geeignete Anordnung in radialer Richtung von der Innenwand des Gehäuses 10 bevirkt und einen Drehantrieb um die Spinachse s ermdglicht. Der erforderliche Auftrieb des Elements kann mit einem massive Kdrper erzielt werden, der aus einem Material mit geringerer Dichte ale das suspendierende Medium besteht. Wahlweise kann ein Hohlkörper aus verhältnismäßig dichten Materialien wie Blei hergestellt werden, der in nicht reaktiven Medien geringerer Dichte wie beispielsweise in organischen Flüssigkeiten, Wasser oder dergleichen zufriedenstellend arbeitet. Nach den Grundsätzen der Kreiseltheorie ist es wünschenswert, daß das Element 32 einen maximalen Drehimpuls hat. Deshalb ist die Auswahl einer verhältnismäßig dichten Flüssigkeit niedriger Viskosität vorzuziehen, so daß das Kreiselelement 32 aus einem Material mit hoher Dichte hergestellt werden kann. Deshalb ist es zur Erzielung eines grüßeren Drehimpulses zweckmäßig, Materialien mit so hoher Dichte wie Wolfram fUr das Kreiselelement und Quecksilber als das suspendierende Medium zu verwenden. Da Wolfram eine höhere Dichte als Quecksilber hat, würde ein derartiges AusfUhrungsbeispiel ein Kreiselelement aufweisen, das eine Hohlkugel ist, welche eine äquatoriale Verdickung aufweist, die eine gleichförmige Konzentration von Wolfram mit dem größtmöglichen Abstand von der Rotationsachse aufweist. Die geringe Viskosität der Flüssigkeit hält fehlerhafte Aufrichtungsmomente (Momente, welche s mit r in Fig. 1 auszurichten versuchen) in Verdrängungsgyroskopen auf einem Minimum. Die Verwendung eines Mediums mit niedriger Viskosität ergibt einen größeren Verdrängungswinkel und ein Signal fUr eine gegebene Rate, was fUr Anwendungen von Gyroskopen zur Bestimmung von Raten wünschenswert ist. Das leichtere Medium 36 darf sich nicht vermischen und soll mit den anderen Elementen des Gyroskops, mit welchen es in Berührung steht, nicht reagieren.
  • Ein geeignetes Medium 36 für ein Ausführungsbeispiel mit diesen Eigenschaften kann unter üblichen Fltissigkeiten ausgewdhlt werden, welche eine geringere Dichte als des Medium 30 haben, und die FlUssigkeiten wie Wasser oder organische Flüssigkeiten mit niedrigem Dampfdruck sein kennen.
  • Die Gestalt des Gehäu » glieds eines Gyroskops gemß der Erfindung ist nicht kritisah. Ein kugelfbrmiges Glied oder irgen eine andere Gestalt mit einem regulären Querschnitt ist geeignet welche keine Turbulenz in das rotierende Medium einführt. Für eine minimale Turbulenz ist es ferner wünschenswert, das Gehäuse mit einer glatten Innenfläche auszubilden, die frei von Störstellen, Vorsprüngen oder dergleichen ist, welche den StrUmungsverlau ! beeinflussen konnten. Bei den beispielsweise dargestellten kugelfdrmigen oder als abgeplattetes Rotationsellipsoid ausgebildeten Gehäusen sollen Störungen des Flußverlaufs vermieden werden.
  • Die Auswahl einer Flüssigkeit 30 mit besonders hoher Dichte und eines entsprechend schweren Kreiselelements 32 ist für ein Verdrängungsgyroskop besonders vorteilhaft. Jedoch können auch andere Materialien vorteilhaft Verwendung finden, nicht nur für Verdrängungsgyroskope, sondern auch für Ratengyroskope, wie im folgenden noch näher erläutert werden soll. Aus den vorangegangenen Betrachtungen ergibt sich, daß eine große Anzahl spezieller Gyroskope gebaut werden kann, von denen jedes eine Einrichtung gemäß der Erfindung aufweist. Beispielsweise kann bei einem speziellen Ausführungsbeispiel das Kreiselelement aus einem Material hergestellt sein, das entweder einer geringere oder größere Dichte als das suspendierende Medium hat, welches Element in einem Gehäusegljbd suspendiert ist, das eine oder mehrere Flüssigkeiten enthält. Aus den obigen und den folgenden AusfUhrungen geht deshalb hervor, wie die geeignetste Kombination der einzelnen Elemente fUr den speziellen Anwendungszweck auszuwählen ist.
  • Wenn das Kreiselelement 32 in der oben beschriebenen Weise rotiert, wirkt es allen Kräften entgegen, welche eine Winkelversohiebung vibrer Spinachse s versuchen, entspreohend bekannten, auf rotierende Kdrper anwendbaren Kreiselgesetzen. Der rotierende Flüssigkeitskorper 30 besitzt wie das rotierende Gehäuse 10 ebenfalls diese Eigenschaft. Wenn der Tisch 20 ein Teil irgend eines bekannten Gyroskopsystems ist, das auf einem Schiff, einem Flugzeug, einer Rakete oder dergleichen Verwendung finden kann, führt irgend eine ilnderung der Winkelorientierung des betreffenden Fahrzeugs zu einer Verdrängung der Winkelorientierung des Tisches 20. Wenn diese Änderung nicht nur um die Achse r erfolgt, wird dadurch eine Verdrängung der Gehäuseachse r in eine Lage erzeugt, welche durch die Achse r'gekennzeichnet ist, wodurch eine Winkelverschiebung zwischen der Achse r und der Spinachse s des Kreiselelements erzeugt wird.
  • Zum Nachweis der Winkelverschiebung eines Aufbautischs relativ zu einem Kreiselelement ist die Verwendung von Abnahilleeinrichtungen üblich. Bei iiblichen Gyroskopen enthalten derartige Abnahmeeinrichtungen induktive, kapazitive und optische Nachweisinstrumente. Im vorliegenden Falle wird ein optisches Nachweisinstrument vorgezogen, weil daulit eine sehr hohe Genauigkeit erzielbar ist und veine messbare Kraft auf das Kreiselelement ausgeübt wird, welche eine Präzession und eine statistische Abtrift erzeugen Iconnte.
  • In Fig. 1 ist eine optische Abnahmeeinrichtung 38 dargestellt, welche an dem Lacer 18 angeordnet ist und ein Autokollimationsfernrohr geeigneter Konstruktion sein kann. Dieses Instrument (auto auto collimater) enthält eine Einrichtung, um ein kollimiertes Lichtbiindel entlang der Achse r gegen eine reflektierende Fläche 40 zu richten, welche in einer querverlaufenden Ebene auf dem angrenzenden Ende des Elements 32 liegt.
  • Der Drehzapfen 14 ist hohl ausgebildet, während die Endwand des Gehäuses 10 an der Basis des Drahzapfens 14 genau wie das Medium 36 durchsiclitig sind, so daf'das von dem optischen Instrument austretende Lichtbündel hindurchgelangen kann. Dieses Lichtbiindel wird von der Pläche 40 zurück zu der Nachwciseinrichtung des optischen Instruments reflektiert. Das optische Instrument selbst ist in einem Servo-Steuersystem mit Nullabgleich vorgesehen, durch das die Winkelorientierung des Tischs 20 änderbar ist. Derartige Servo-Systeme sind belçannt. Solange die Achsen r und s zusammenfallen, verläuft das von der Flache 40 reflektierte Lichtmindel entlang desselben optischen Wegs wie das einfallende BUndel.
  • Wenn jedocli eine Winkelabweichung zwischen dem Achsen r und s auftritt, verläuft das reflektierte Lichtbündel unter einea Winkel im Vergleich zu defn einfallenden LichtbUndel, welcle ; inkelabweichung durch eine lichtempfindliche Nachweiseinrichtung des optischen Instruments nacllgewiesen wird, welches positive und negative Abweichungen entlang der x-und y-Achse feststellt. Durch den Nachweis derartiger Abweichungen wird das Servo-System betätigt, um den Tisch 20 zu verstellen, bis die Achse r wieder mit der Spinachse s des Kreiselelements ausgericlitet ist. Daraus ist ersichtlich, daß ein derartiges Gyroskop als ein Gyroskop mit zwei Freiheitsgraden arbeiten kann.
  • Ein derartiges optisches Instrument und andere optische Nachweiseinrichtungen können Winkelabweichungen von einer Bogensekunde oder weniger feststellen. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache und unter Beachtung des Umstands, daß das Gehäuse 10 relativ zu dem rotierenden Flüssigkeitskorper 30 verlagert wird, ergibt sich eine Zeitverzogerung, bevor die inneren Teile des Flussigkeitakorpers die Sgulen 34 in eine koaxiale Beziehung mit der neu ein. genommenen Orientierung der Achse r (wenn sie in ihre Lage riversclioben laird) bringen könnten. Die Reibungskräfte der FlUssigkeit., 30 relativ zu dem Element 32 bleiben zumindeot im wesentlichen unverändert. Deshalb ist en möglich, die Achse r wieder mit der Spinachse s auszurichten, bevor irgendwelche Kraft die räumliche Lage der Spinachse s ändern konnten, was ein kritisoher Faktor ist, der die inhärente Genauigkeit des Gyroskops selbst beeinflusst.
  • Die Genauigkeit des Gyroskops wird ferner durch den gyroskopischen Stabilisierungseffekt des rotierenden Flffoslgkeitskörpers 30 verbessert.
  • Des beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt die wesentlichen Merkmale zur Erzielung einer ruhigen Genautgkelt eines Gyroskope mit zwei Freiheitsgraden. Es ist jedoch ersichtlich, daß viele andere Konstruktionen entsprechend der Erfindung ausgebildet werden können, beispielsweise mit komplizierteren Lagern für die Drehzapfen des Gehäuses, Vibrationen dämpfende Binrichtungen fUr den Antrieb des Gehäuses oder dergleichen Abwandlungen.
  • Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeisptel der Erfindung, das besonders als ein solches Gyroskop verwendbar lot, mit dem der Betrag oder die Rate einer Winkelverschiebung eines Fahrzeugs oder dergleichen gemessen werden soll. Das in Fig. 3 dargestellte Gyroskop enthXlt dieselben grundsatzlichen Komponenten wie das vorher beschriebene Ausfuhrungsbeispiel. Ein Gehkuse 50 ist mit Drehzapfen 52 an gegenüberliegenden Enden in Lagern 54 drehbar gelagert. Ein Motor 56 ist vorgesehen, um das Gehäuse um eine Achse r über den Riemenantrieb 58 anzutreiben.
  • Ein Kreiselelement 60 ist in dem sich drehenden Gehäuse 50 angeordnet, welches teilweise mit einer Flüesigkeit 62 ausgefüllt ist. Das Gewicht des Kreiselelements 60 ist geringer als dasjenige der von dem Element verdrängten Flüssigkeit 62. Eine Rotation des Gehduoes 50 bewirkt, daß die Flüssigkeit 62 als ein Körper rotiert, welcher das Kreiselelement 60 in radialer Richtung von der Innenfläche des Gehäuses fernhält und um eine Spinachse s dreht, welche mit der Achse r zusammenfällt. Der rotierende Fldssigkeitskörper 62 begrenzt Säulen 64 an gegenüberliegenden axialen Enden des Kreiselelements 60, welche das Kreiselelement von dem Gehäuse 50 in axialer Richtung fernhalten. Die Säulen 64 bestehen vorzugsweise aus einer zweiten leichteren Flüssigkeit 66, um das Kreiselelement/in axialer Richtung des Gehäuses/in der beschriebenen Weise zuverlässig zu fuhren.
  • Zu Zwecken der Erläuterung soll angenommen werden, daß das Gyroskop in Fig. 3 in einem Flugzeug angeordnet ist, wobei die Achse r horizontal und quer zu der Ldngsachse des Flugzeugs verläuft, welche als die Steigungsaohse bezeichnet wird. Wenn das Flugzeug um seine LXngsachse rollt, dreht sich die Achse r in einer vertikalen Ebene relativ zu der Spinachse s. Wenn das Flugzeug eine Azimutxvendung macht, dreht sich die Achse r in einer horizontalen Ebene relativ zu der Spinachse s. Winkeländerungen um zwei Achsen können auf diese Weise angezeigt werden, woraus ebenfalls ersichtlich ist, daß es sich um ein Gyroskop mit zwei Freiheitsgraden handelt.
  • Nach einer Drehung der Achse r um einen verhältnismäßig kleinen Winkelabstand, wird ein Aufrichtungsmoment auf das Kreiselelement 60 ausgeUbt, welohes so gerichtet ist, daß die Achse s mit der Achse r wieder ausgeriohtet wird. Der Betrag der axialen Verschiebung zwischen der Achse s und r ist proportional dem Winkelbetrag der Drehung und kann so geeicht werden, daß die Größe dieser Rate der Drehung angezeigt wird. Das Ausmaß einer Winkelverschiebung der Achsen r und s kann durch eine Abnahmeeinrichtung nachgewiesen werden, welche verschiedene Arten von Nachweisinstrumenten der erwahnten Art--enthalten kann. Dieses Ausfiihrungsbeispiel dient jedoch in erster Linie dazu, eine visuelle Anzeige der Rate der Drehung anzugeben.
  • Zu diesem Zwecke ist das Gehäuse 50 aus einem durchsichtigen Material hergestellt. Die Fliissigkeit 62 ist ebenfalls durchsichtig.
  • Das Kreiselelement 60 ist nach den beschriebenen GrundsEtzen ausgebildet, indem es eine geringere Dichte als die Dichte der Flüssigkeit 62 hat. Eine Markierungslinie 68 oder dergleichen ist entlang des Äquators des kugelförmigen Elements 60 vorgesehen. Die Linie 63 ist deshalb sichtbar, wenn das Kreiselelement in dem GehAuse 50 rotiert. Eine Anzahl von Bezugslinien 70 können auf der Innenseite (um Parallaxonfehler möglichst gering zu halten) des Gehduses 50 vorgesehen sein, um zur Feststellung des Ausmasses der Winkeldrehung einen Vergleich mit der Bezugslinie 68 zu ermöglichen.
  • Wenn das Flugzeug rollt, sich also um seine Längsachse dreht, wird die Achse r relativ zu dem Element 60 gedreht, welches dazu tendiert, sich weiter um eine horizontale Achse zu drehen. Fig. 4 zeigt die relative Lage des Gehäuses 50 und des Elements 60 während einer Rolle. Die Verschiebung a zeigt die Rate der Rolle an, und die Linien 70 können geeicht werden, um die Grole anzuzeigen.
  • Fig. 5 zeigt eine Azimutdrehung, wobei das Gehäuse 50 in einer horizontalen Ebene relativ zu dem Element 60 gedreht wird.
  • Der Abstand b zeigt die Rate der Drehung und die Linien 70 können ebenfalls geeicht werden, um quantitativ die Grdße anzuzeigen.
  • Es ist ferner zu bemerken, da8 diese Ausführungsform so abgewandelt werden kUnnte, daß eine Betrachtung entlang deren Achse für dieselbe Funktion wie ein Ratengyroskop erfolgt. Wenn dies der Fall ist, kann eine Markierung an der axialen Endfldche des Kreiselelements gegen x-und y-Koordinaten angepasst und verlichen werden, um die Rate und Richtung der Winkelrate einer Drehung festzustellen.
  • Obwohl das Kreiselelement anfänglich von den axialen Oberflächen des rotierenden GehSuses in verschiedener Weise distanziert werden kann, sind die nun zu beschreibende Einrichtung und ein entsprechendes Verfahren vorzuziehen. Eine derartige Einrichtung ist in den Fig. 6 bis 8 dargestellt, welche eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels in Fig. 1 zeigen, wobei eine Kammer 80 in dem Lagerzapfen 12 ausgebildet ist. Ein Kolben 82 ist in dieser Kammer verschiebbar angeordnet, welche an ihrem äußeren Ende (durch einen in den Lagerzapfen 12 eingeschraubten Stopfen 83) verschlossen und zu dem Innenraum des GehHuses 10 offen ist. Ein sich nach auBen erweiternder Halsteil 84 ist an dem Kolben 82 ausgebildet, so daß eine Schulter 85 vorhanden ist, welche abdichtend an einer eingezogenen Umfangslippe 86 anliegt, welche die Offnung der Kammer 80 in das Gehduse 10 begrenzt. Eine Anzahl von Kandlen 87 (Fig. 8) erstreckt sich durch den Halsteil S4 und bilden Öffnungen an der Schulter 86. Eine zweite Gruppe von Kanälen 88 läuft durch die Lippe 86 und ist von den Kanälen 87 winkelig versetzt.
  • Zum Verschieben des Kolbens 82 in und aus der Kammer 80 ist eine Einrichtung vorgesehen, welche einen an dem Kolben 83 befestigten Perr, lanentmabnet 90, eine den Kolben 82 aus der Kammer 80 herausdrückende Druckfeder 92, sowie eine Spule 94 aufweist, welche den Magnet 90 umgibt und dazu dient, dessen Polarität umzulcehren. Die Spule 94 ist über Drähte mit einem Zentrallontakt 95 und einem ICreiskontalct 96 verbunden, welche mit stationären Kontakten 97,98 an einem Arm 99 verbunden sind, der an dem Lager 16 befestigt ist. Drähte w verbinden die Spule 94 mit einer geeigneten Schaltung zur Umkehrung der Polarität, so daß im Ergebnis die Feldstärke des Magnets 90 annulliert wird. Wenn die die Polarität umkehrende Einrichtung die Feldstärke des Magnets 90 aufhebt, verschiebt die Feder 92 den Kolben 82 aus der Kammer 80 in den Innenraum des Gehäuses 10.
  • Wenn iibliche, die Polarität umkehrende Einrichtungen verwandt werden, dberwindet der Magnet 90 die Kraft der Feder 92 und zieht den Kolben 82 in die Kammer 80 zurück. Bei der beschriebenen Einriehtung wird bei einem Ausfall der elektrisohen Erregung der Kolben 82 nicht aus der Kammer herausgeschoben, weil die durch den Permanentmagnet ausgeübte Kraft bei der Betriebspolaritat die Federlcraftüberschreitet.
  • Das Gehäuse 10 mit der Kammer 80 werden anfXnglich vollständig mit Flüssigkeiten 30 und 36 mit vorherbestimmten Anteilen' auegefüllt. Das Gyroskop wird dann mit der Achse r vertikal angeordnet, wobei sich die Kammer 80 am oberen Ende des Gehausee 10 befindet. Es ist ferner ersichtlich, daß der Kolben 82 sich dabd in einer vorragenden Lage befindet und eine Spitze 102 hat, die von einer Aussparung in dem axialen Ende des Elements 32 gegenUber der Flache 40 aufgenommen (wird. Wenn das Gyroskop abgestellt ist, befindet sich der Kolben 82 normalerweise in dieser vorragenden Lage, so dsß die Fläche 40 zu der optischen Abnahmeeinrichtung 38 weist, wenn das Gehause 10 wieder gedreht wird. Nacli der Anordnung in eine vertikale Lage wird der Kolben F, vorzugsweise so verschoben, dan sSmtliche suspendierende Flüssigkeit 30 (falls solche vorhanden ist) aus der Kammer 80 entfernt wird und sich auf der Unterseite des Gehauses 10 absetzt, wahrend die gesanite leichtere Fliissigkeit 36 wu der Oberfläche ansteigt, so daß nur die Flüssigkeit 36 in der Kammer 80 ist. Der Kolben t wird dann durch die Feder 92 vollständig aus der Kammer 30 verdrangt, wenn die die Polaritdt umkehrende Spule 94 über den Schalter 100 betätigt wird, so dan darin ein Teil der Flüssigkeit 36 eingeschlossen wird, wie aus Fig. 7 ersichtlich ist.
  • Wenn der Kolben 82 vollständig verschoben ist, befindet sich eine Schulter 35 in abdichtender Berührung mit der Lippe 90, wodurch eine weitere Strömung der Flüssigkeit 6 in oder aus der Kammer 80 durch die lçanäle 87, 88 verhindert wird. Die Schulter 85 kann gegebenenfalls nicht körperlich an der Lippe'6 angreifen, ist aber hinreichend nahe dazu, um einen Flüssigkeitsdurchtritt zwischen der Kammer 80 und dem GehWuse 10 zu verliindern, wenn dieses in die Lage entsprechend Fig. 7 umgedrehte ist. Der Motor 23 wird betatigt, um das Gehäuse 10 um eine Achse r zu drehen, wenn das Gyroskop auf diese Weise umgedreht wurde, oder zu einem Zeitpunkt, in welchem die Fliissiglieit 36 in eine Säule zwischen dem Abnahmeende des Gehäuses 10 und dem Ende der Kugel mit der Flache 40 eingeschlossen ist. Von der Rotation des Gehäuses herriihrende Zentrifugalkraft bewirlct die Ausbildung einer derartigen Säule an dem oberen Ende des die Flüssigkeit 36 einschliessenden Gehäuses, wie aus Fig. 7 ersichtlicll ist. Wenn ein Teil der Flüssigkeit auf diese Weise am einen Ende des Gehuses 10 eingeschlossen ist, wird dann der Kolben 82 durch den Magnet 90 zurückgezogen, wenn die Spule 94 abgeschaltet wird. Die Flüssigkreit 36 tritt aus der Kammer 80 aus und wird an den : gegenüberliegenden Ende des Elements 32 eingeschlossen, während die Fliisslglkeit 30 eine zweite Säule 34 aus der Flüssigkeit 36 zwischen dem Gehäuse und dem angrenzenden axialen Ende des Elements 32 begrenzt, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist.
  • Durcli eine geeignete Dimensionierung der Kammer S0 und des Kolbens Sn ist es möglich, in einfacher Weise gleiche Volumina der Flüssigkeit 36 an gegeniiberliegenden Enden des Elements 32 zu erhalten, so daß die gewünschten gleichen Durchmesser der Säulen 34 ausgebildet werden können.

Claims (14)

  1. PatentarEpriiche 1 Gyroskop mit einem in einem drehbaren Gehäuse angeordneten Kreiselelement und einer Antriebseinrichtung, um das Element um eine mit der Itotationsachse des Gehäuses zusammenfallende Achse zu drehen, d a d u r c h g e l ; e n n z e i c hn e t, d a B das Kreiselelement in einem drehbaren Flüssig keitskörper in dem Gehäuse sciwiiimend gelagert ist, daß das Gewicht des Kreiselelements geringer als dasjenige des verdrXngten, von dem Kreiselelement eingenommene Flüssiglceitsvolumen ist, daß der Fliissigkeitskdrper das Kreiselelement von der Innenfläche des Gehäuses in radialer Richtung distanziert, und daß die Antriebseinrichtung durch das Gehäuse und den rotierenden Flüssigkeitskorper gebildet ist.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k 9 n nz e i c h n e t, d a n das Kreiselelement kugelförmig ausgebildet ist und die Rotationsachse schneidende abgeflachte Teile aufweist.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, d a ß das suspendierende Medium eine niedrige ViskositXt und eine solche Dichte hat, die kleiner als diejenige des Kreiselelements ist, so daß das Kreiselelement ein maximales Winlceldrehmoment hat.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, d a ß das suspendierende Medium eine größere Dichte als das Kreiselelement hat, so dafl das Element radial stabilisiert wird.
  5. 5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a 8 das suspendierende Medium eine Flüssigkeit ist, die in einer solchen Menge vorhanden ist, daß nur ein Umfangsbereich des Kreiselelements umgeben wird, und daß diese FlUssigkeit koaxial mit der Rotation ausgerichtete Säulen begrenzt, die sich von den abgeflachten Teilen erstrecken.
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, d a ß die ausgerichteten SKulen praktisoh denselben Durchmesser auf gegenüberliegenden Seiten des Kreiselelements haben.
  7. 7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden AnsprUche, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß das suspendierende Medium und das drehbare GehGuse aus durchsiohtigen Materialien gebildet sind, und daß das GehKuse und das Kreiselelement Markierungen aufweisen, durch welche die Richtung und die Winkelverschiebung des Gehäuses relativ zu dem Kreiselelement feststellbarsind.
  8. 8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d ad u r o h g e k e n n z e i c h n e t, d a B die 8Xulen aus einem zweiten Medium bestehen, dessen Dichte geringer ais diejenige der ouependierenden Flüssigkeit ist und das damit nicht verischbar ist, so daß das Kreiselelement durch eine hydrodynamische Einrichtung in radialer Rlohtung geftihrt und das drehbare GohOuse und das Kreieelelement gekoppelt wind.
  9. 9. Einrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g n nz e i o h n e t, d a ß die Einrichtung zur radiale Führung des Kreiselelements durch die Säulen eine außerhalb des GehKuses entlang der Rotationsachse vergesehene Kammer und ein bewegliches Durchflußsteuerglied aufweist, welches die Kammer mit dem Innenraum des Gehäuses verbindet, so daß eine Menge des zweiten Mediums in die Kammer einschließbar und durch ein Signal an das bewegliche Glied, wenn das Kreiselelement rotiert, daraus entfernbar ist.
  10. 10. Einrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n nz e i o h n e t, d a ß das zweite Medium ein komprimiertes Gas ist..
  11. 11. Einrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, d a ß das zweite Medium eine Fltissigkeit ist.
  12. 12. Einrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, d a ß das bewegliche Glied und das Kreiselelement eine Verriegelungseinrichtung zur Orientierung des Kreiselelements relativ zu dem Gehäuse aufweist.
  13. 13. Verfahren zum Antrieb des Kreiselelements in Anspruch 1, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a n das Kreiselelement in dem Medium schwimmend gelagert wird, daß das Medium in Rotation versetzt wird, und daß eine hydrodynanische Rotationsachse zwischen dem Medium und dem Kreiselelement ausgebildet wird.
  14. 14. Verfahren zur lIerstellung der hydrodynamisclien Einrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c hg e k e n n z e i c h n e t, d afl ein Teil des zweiten Mediums abgezogen wird, dal das Gehäuse gedreht wird, so daß die suspendierende Flüssigkeit als ein Kdrper rotiert, daß der restliche Teil des zweiten Mediums in einer ersten Säule zwischen einem der abgeflachten Teile des Kreiselelements und dem Gehäuse eingeschlossen wird, und daß der abgezogene Teil des zweiten Mediums in das Geliause eingefiillt wird, um die zweite Säule auf der entgegengesetzten Seite des Kreiselelements auszubilden.
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