DE1548465A1 - Vorrichtung zum Abstuetzen einer Last,insbesondere der Rotorlagerung eines Kreiselkompasses - Google Patents

Description

LEAR SIEGLER, INC., Santa Monica, Kalifornien (V.St.A.)

Vorrichtung zum Abstützen einer Last, insbesondere der Rotorlagerung eines Kreiselkompasses

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abstützen einer Last, insbesondere der Rotorlagerung eines Kreiselkompasses.

Lastabstützungsvorrichtungen, bei denen zum möglichst reibungsfreien Abstützen einer Last Druckluft oder Druckflüssigkeit als gasförmige oder flüssige Schmiermedien zwischen Abstützung und Last eingeführt werden, sind bereits bekannt. Diese bekannten Anordnungen sind für einige Anwendungs-

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ORIGINAL INSPECTED Neu· Unterlagen .

fälle nicht genügend genau, da die Reibung und andere schädliche Kräfte der einen oder anderen Art unvorhersehbare Stördrehmomente hervorrufen, die beispielsweise bei Keß- oder Anzeigegeräten, insbesondere Kreiselkompassen, die Anzeige, d.h. die Stellung der Last beeinträchtigen.

Der Einfluß solcher störenden und unvorhersehbaren Drehmomente kann anhand der Betrachtung einer Banoaufhängung eines üblichen Kreiselkompasses erläutert werden. Diese Bänder sind gegen Verdrehen empfindlieh, da sie je nach dem Grad der Verdrehung deformiert werden. Solche Verdrehungen liefern leicht fiber einen beträchtlichen Zeitraum unstabile Torsionaaoaente· Wenn beispielsweise der Kreiselkompaß wiederholt arretiert oder festgesetzt wird, d.h. gegen Bewegung gesichert wird und wenn er für den Gebrauch freigesetzt oder freigegeben wird, üben die Bänder Torsionsmomente aus, die von einem Freisetzen zum nächsten variieren. Diese variierenden Torsionsaoaente beeinträchtigen die Genauigkeit des Kreiselkonpasses sehr stark_o

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Bei anderen früheren Anordnungen, die nachstehend als Druckflüssigkeits- oder Druekgaslagerungen bezeichnet werden, wurden kompliziert^ umfangreiche und teure Druckmittelversorgungen benotigt, um eine tragende Schicht einer Flüssigkeit oder eines Gases an der Kreiselkompaßlagerung zu erzielen. Zusätelich zu diesen komplizierten und teuren Druck-Eittelversorgungen hat sich ergeben, daß Faktoren, wie Turbinendrehmomente, unvorhersehbare und unsteuerbare Drehmomente hervorrufen, welche die Genauigkeit des Kreiselkompasses in einer ähnlichen Weise stark beeinträchtigen, wie es bei der oben erwähnten Bandtechnik der Fall war· Sie oben aufgezählten Nachteile der bekannten Einrichtungen werden mit dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung überwunden.

Dies wird gemäß der Erfindung durch folgende Anordnung erreicht: Mindestens eine Grundplatte mit einer konkaven Oberfläche in Form eines Kugelsegments mit auf einer Mittelachse angeordnetem Kittelpunkt; eine Lagerplatte, deren untere Lagerflache ein konvexes Kugelsegment ist, dessen Radius und Mittelpunkt im wesentlichen denen der konkaven Grundplat-

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tenoberflache entsprechen, über der die Lagerplatte angeordnet ist; eine auf der Lagerplatte so befestigte Last, daß der resultierende Schwerpunkt von Last und Lagerplatte unterhalb des Mittelpunktes der Lagerfläohe liegt, und eine Vibrationseinrichtung, die die Grundplatte parallel zur Mittelachse in Schwingungen von einer Frequenz und Amplitude versetzt, die geeignet ist, zwischen den beiden Flächen einen Gasfilm zu erzeugen, der die beiden Oberflächen in Abstand voneinander hält.

Die als konvexes sphärisches Segment ausgebildete Unterseite der Lagerung ist schwimmend auf der vibrierenden Grundplatte in Form eines oder mehrerer konkaver sphärischer Segmente von im wesentlichen dem gleichen Krümmungsradius wie die konvex« Fläche gelagert» Diese Universallagerung zwischen der getragenen Fläche oder der Lagerung und der tragenden Fläche oder der Grundplatte ergibt eine Freiheit der Bewegung in zv/ei Freiheitsgraden für die Vorrichtung ähnlich einem Pendel, das im Mittelpunkt einer imaginären Kugel aufgehängt ist, welche den gleichen Krümmungsradius wie die einander

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entsprechenden konvexen und konkaven Oberflächen besitzt.

Die oben beschriebene Universallagerung, die die Vorrichtung oberhalb der vibrierenden Grundplatte hält, entspricht in ihrer Arbeitskreise und den theoretischen Grundlagen den kürzlich entwickelten Gaskissenlagern (gas squeeze bearings)« Unter Verwendung des Gaskissenlagerprinzips schafft die Erfindung eine Vorrichtung, die praktisch keine trockene Reibung besitzt, welche die Universalbewegung der Lagerung gegenüber der vibrierenden Grundplatte behindert. Dieser:im wesentlichen reibungslose Zustand wird in einer einfachen, wirksamen, kompakten' und unempfindlichen Anordnung erreicht. Die Vorrichtung nach der Erfindung besitzt daher eine angebbare Genauigkeit, die größer ist als die bisher bekannter vergleichbarer Vorrichtungen.

Im folgenden Teil der Beschreibung werden Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben·

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In den Zeichnungen ist:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines

auf einer vibrierenden Grundplatte universal beweglich gelagerten Kreiselkompasses nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung nach der Erfindung einschließlich Ablese- und Zieleinrichtung mit einer anderen mehrfachen Vibrationslagerung;

Fig. 3 ein Blockschaltbild, das eine geeignete Vorrichtung zur Erzeugung der Vibrationskräfte an der Lagerung von Fig. 1 und 2 noch der Erfindung darstellt;

Fig· 4-A und B ein Impulsdiagramm, das

die modulation der Vibrationskraft zur automatischen Dämpfung des Kompasses nach der Erfindung erläutert;

Fig. 5 bis 8 eine Schnittansicht verschiedener Vibrationselemente nach dem Grundgedanken der Erfindung; und

Fig. 9 ein schematisches Blockdiagramm

für einen selbst erregten wandler nach der Erfindung*

In Fig. 1 besteht der Wandler 10 aus einem hohlen piezoelektrischen keramischen Zylinder 11, welcher von einen Messingzylinder 12 getragen wird. Dieser pieioelektrischer Zylinder 11 kann in einer für Wandlerzwecke geeigneter Form aus Keramik oder kristallinem Material hergestellt sein. Geeignete

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Wandlexmaterialien sind, um nur einige zu nennen, Quarz, Lithiumsulpbat, Rochellesalz, Turmalin, Ammoniumdihydrogenphosphat und verschiedene vorpolarisierte keramische Stoffe, wie beispielsweise polykristallines Bariumtitanat und Bleititanat-Zirkonat.

Wenn der Zylinder 11 aus einem vorpolarisierten keramischen Stoff besteht, kann die Folarisierungsspannung radial an Zylinderquerschnitt in dem Fachmann bekannter Weise angelegt v/erden. Elektroden und 14 umgeben zu diesem Zweck die inneren und äußeren Oberflächen des keramischen Zylinders 11· Diese Elektroden ermöglichen das Anlegen eines radialen elektrisches Feldes an den piezoelektrischen Zylinder· Die elektrische Energie für dieses Feld kann von einem äußeren Oszillator und Verstärker geliefert werden, der Wandler kann jedoch auch selbst erregend sein. Diese Betriebsweisen werden nachstehend noch näher beschrieben·

Das an den keramischen Zylinder 11 über die Elektroden 15 und 14· angelegte elektrische Feld bewirkt bei einem ersten Signal eine radiale und axiale

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Deformation des keramischen Zylinders in einer bestimmten Richtung. Ein zweites Signal entgegengesetzter Polarität bewirkt eine ähnliche radiale und axiale Deformation in dazu entgegengesetzter Hichtung.

Nach der vorliegenden Erfindung wird die Frequenz des angelegten radialen elektrischen Feldes so gewählt, daß sie im wesentlichen gleich der niedrigsten axialen Grundfrequenz des keramischen Zylinders zusammen mit der konkaven Grundplatte 17 istο Diese Treibfrequenz erzeugt die axiale Vibration der Tragplatte. Die niedrigste axiale Grundfrequena des keramischen Zylinders 11 und der Grundplatte 17 ist die Frequenz, welche mit der Viertelwellenschwingung des Zylinders verbunden ist«, Daher ist eine Viertelwellenstützplatte 12 an den keramischen Zylinder mittels Epoxyharz oder einem anderen geeigneten Klebmittel angeklebt und der keramische Viertelwellen-Zylinder und die Viertelwellen-B tut zplatte 12 sind über die konkave Grundplatte 17 und einem Vorspannbolzen 18 miteinander verbunden. Ansätze 20 halten die Stützplatte 12 an ihrer vibrationsfreien Zone oder Knotenebene. Der

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keramische Zylinder 11, die Elektroden 13 und 14, die Stützplatte 12, die Tragplatte 1? und der Vorspannbolzen 18 bilden daher in zusammengesetzter Form einen Halbwellenlängenwandler 10. Andere Arten von Wandlern und andere Lagerungen, welche gleichfalls im Rahmen der Erfindung liegen, werden nachstehend noch erörtert·

Din sich in Nordrichtung einstellender Kreiselkompaß 25 besitzt einen Rotor 26„ der drehbar mittels einer Welle 29 gelagert ist, deren Mittelpunkt die Drehachse oder Spinachse 27 definiert. Die Welle 29 ist mittels geeigneter Lager in einem Rahmen 28 gelagert· Der Kreiselkompaß 25 besitzt ein Gehäuse, und das Gehäuse und der Rahmen 28 sind durch geeignete Kittel mit einer Lagerplatte 30 verbunden. Diese Lagerplatte 30 besitzt eine. feste sphärische Oberfläche 31 sowie ein genügendes Gewicht, um den Schwerpunkt des Kreiselkompasses 25 auf einen geeigneten Funkt nach unten zu verlegen· Die vibrierende Grundplatte 17 ist, wie schon erwähnt, eine plankonkave Platte mit einer sphäri- sehen Oberfläche, die den gleichen Krümmungsradius wie die sphärisch gekrümmte konvexe Oberfläche 31

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Während des Betriebe8 schwingen oder vibrieren der keramische Zylinder 11 und die Grundplatte 17 in axialer Richtung. Sie Universallagerung zwischen der Oberfläche 31» der Lagerplatte 30 für den Kreiselkompaß und. der Oberfläche 32 der vibrierenden Grundplatte 17 bildet ein sogenanntes Kiesenlager mit einer dünnen Luftschicht. Diese Luftschicht liefert eine Trag- oder Stützkraft für den Kreiselkompaß 25« Die Trageigenschaft läßt sich aufgrund der isothermen Zustandsänderung des Gases, die als "Boyle's Gesetz" bekannt ist, erklären· '.Venn die Platte 17 senkrecht zu sich selbst schwingt, während die Oberfläche 32 der parallelen Oberfläche 31 dicht gegenüberliegt, erfolgt eine Kompression und Expansion des kleinen Gasvolumens zwischen den beiden Oberflächen. Die Viskositätkräfte verhindern bei hohen Schwingungsfrequensen der Platte 17t daß Gas zwischen den Oberflächen 31 und 32 mit Ausnahme einer kleinen Menge an den Kanten während der Vibration aus- und einströmt· Stattdessen erfolgt eine periodische Kompression und Dekompression des Gases zwischen den oberflächen 31 und 32. Bas Verhältnis zwischen Druck und Volumen im Gaszwischenraue «wischen den

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oberflächen 51 und 32 ist aufgrund der zuvor erwähnten ieothermischen Zustandsänderung nicht linear und deehalb ist der mittlere Druck während der halben Koopressionsperiode der Vibration der Grundplatte 17 größer als der mittlere Druck während der Dekoupresoionsperiode der Vibration der Grundplatte 1?. Der mittlere Druck während einer vollstandigen Periode ist deshalb positiv gegenüber dem Außendruck» und die Oberfläche 31» die der schwingenden Oberfläche 32 gegenüberliegt, ist daher einer positiven Druckkraft ausgesetzt. Diese Kraft, die proportional zur Oberfläche und zur Differenz zwischen dem mittleren Druck und dem Außendruck ist, nimmt das Gewicht des Kreiselkoapasees auf.

Die vorstehend beschriebene Tragkraft hält den Kreiselkompaß schwimmend in seiner Stellung, als ob er an einem Punkt, der durch den Schnittpunkt der Kormalen auf die Oberfläche 31 gegeben ist, wie ein Pendel aufgehängt wäre. Da die Oberflächen 51 und 52 nicht miteinander in Berührung stehen, sind praktisch keine Viskositäts- oder Reibungskräfte vorhanden. Jede eventuell vorhandene viskose

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Reibung iat proportional zur Tangentialgeschwindigkeit der Oberfläche 31 gegenüber der Oberfläche 32· Die Tangentialgeschwindigkeit wird jedoch Null, wenn der richtige l&eridian erreicht ist. Daher geht die viskose Reibungskraft gegen EuIl und es Bind bei dem Kreiselkompaß naoh der Erfindung keine störenden Reibungsdrehmomente vorhanden.

Wenn der Rotor 26 auf seiner Welle 29, deren Mittellinie die Spinachae 27 des Kreiselkompasses bildet, seine volle Geschwindigkeit erreicht hat, kann der Kreiselkompaß freigegeben oder freige· setBt «erden, d.h. in der in der Zeichnung dargestellten Weise auf dem Luftkissen abgestützt werden. Eine geeignete Vorrichtung für das Festsetzen und Freigeben des Kreiselkompasses ist in Flg. 2 dargestellt und wird nachstehend noch näher beschrieben. Das Freigeben findet statt, wenn der Kreiselrotor 26 eine stabile Geschwindigkeit erreicht hat· '»Venn die Achse 27 des Kreisele bei dem Freigeben nicht gerade in der Ifieridianebene 1st, was außerordentlich unwahrscheinlich ist, ruft eine Fehlauerichtung zwischen .der Achse 27 des

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Kreisels und der Horizontalprojektion auf die Erddrehachse in bekannter Weise ein Drehmoment hervor, das eine Präzession der Achse 27 des Kreisels in der Horizontalebene auf den Meridian zu hervorruft· Dieser bekannte Effekt wird bei Kompassen allgemein verwendet und braucht daher nicht weiter erläutert zu werden, zumal er in zahlreichen Veröffentlichungen beschrieben ist.

V/enn der*Kreiselkompaß 25 auf der Luftschicht im Zwischenraum zwischen den beiden Oberflächen 31 und 32 frei seine Präzessionsbewegung ausführt, wird er infolge seiner Bewegungsenergie um einen Winkel, der ungefähr gleich dem Ausgangswinkel ist, über die Merldianebene hinauslaufen. Die Achsa 27 schwingt daher um die Meridianebene hin und zurück und die letztere kann durch Beobachtung der Unkehrpunkte der Bewegung der Achse 27 auf einer Skala festgestellt werden. Wenn der sich ergebende Winkel zwischen den maxiaalen Winkelauslenkungen halbiert wird, gibt er die Richtung der Meridianeben· an·

fig. 2 zeigt einen Kreiselkompaß nach dem Grundgedanken der Erfindung, wie er zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben norden ist. Pig. 2 enthält zusätzlich bestimmte Bestandteile für den Betrieb des Kreiselkompasses, welche bisher in Verbindung mit Fig. 1 noch nicht beschrieben worden sind.

Der Kreiselrotor 26 kann ein üblicher Wechselstrom- oder Gleichstromrotor sein. Wenn zur Erzielung einer größeren Genauigkeit ein VJechselstromrotor verwendet wird, ist ein Umformer erforderlich. Der Strom für den Rotor 26 wird über den Umformer und Schaltungen zugeführt, welche durch elektrische Leitungen und (nicht gezeigte) Kontakte automatisch eingeschaltet werden, welche von der Bewegung des Feststellmechanismus 50 gesteuert werden. Wenn der Kreisel nicht festgestellt, d.h. freigegeben ist, wird der Rotor 26 von einer inneren Batterie 45 und dem inneren Umformer 43 angetrieben. Die innere Batterie 45 ist eine aufladbare Batterie, die einen Gleichstrom liefert, welcher von dem Umformer 43 auf die gewünschte tfechselstromfrequena umgeformt wird. Dadurch, daß die Rotorstromversor-

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gung auf diese Welse erfolgt, wird eine technische Verbesserung erzielt, weil auf Stromleitungen, welche normalerweise den Kreiselrotor in dem bekannten Kreiselkompaß mit einer äußeren Stromquelle verbinden, vollständig verzichtet werden kann.

Wenn der Kreiselkompaß festgestellt oder arretiert Jet, »le ea bei der mit strichlierten Linien eingezeichneten Stellung des feststellmechanismus der Fall ist» wird der innere Umformer 43 von einer äußeren Batterie 41 über einen zugehörigen Ein/Ausschalter 44 wahlweise gespeist. Die Batterie 41 und der Umformer 43 dienen daher dazu, den Kreiselrotor auf eine stabile Geschwindigkeit zu bringen und ihn anzutreiben, wenn dieser festgestellt ist· Es ist nicht notwendig, die Kapazität der inneren aufladbaren Batterien 45 in Anspruch zu nehmen, wenn der Kreisel festgestellt ist, da der Feststellmechanismus, wie zuvor erwähnt, automatisch die Verbindung zu den inneren aufladbaren Batterien 45 unterbricht und die äußere Batterie 41 mit dem Umsetzer 43 verbindet· Während der Feststellung oder Arretierung, wenn der Kreisel also von der

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äußeren Batterie 41 angetrieben wird, dient die letztere auch mir Aufladung der inneren Batterie

Der FeststelliiechaniSBue 50 besteht aus einen Hebel und einer federgespannten Druckβtauge 52, wie sie üblicherweise für das Feststellen und Freigeben des Kreisels 25 verwendet wird· Wenn der Mechanismus in der alt gestrichelten Linien dargestellten Stellung ist, drückt die Hockenschulter des Hebels die Stange 52 in eine obere Vertikalstellung, bei der die Grundplatte 30 und der Kreisel 25 fest gegen die Anschläge 53 gepreßt werden. Ein GuMi-ⁿOⁿ-Bing 54- oder ein federndes Kissen ist auf den Anschlägen 53 befestigt, vm Stöße aufsunehiien, wenn der Kreisel 25 festgestellt oder freigegeben wird·

Der neue Aufbau eines Kreisele nach der Erfindung ergibt einen Kreiselkompaß, welcher ein außerordentlich geringes Gewicht besltst. Für einen solchen leichten Kreiselkompaß können die üblichen Feststellteehniken, wie sie bei des Mechanismus 50 beschrieben worden sind, nicht geeignet sein·

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Beispielsweise kann das gesamte, in Fig. 2 gezeigte Instrument auf einem leichten, nicht gezeigten Dreifuß montiert und aufgestellt sein. Bei Verwendung im Freien können dann die auf den Hebel 50 zum Feststellen oder Freigeben ausgeübten Kräfte das Instrument und den Dreifuß aus dem Gleichgewicht bringen.

Daher ist in Fig. 2A eine Feststellvorrichtung für den Kreiselkompaß nach der Erfindung dargestellt. In Fig. 2A wird die Stange 52 durch ein luftdichtes System mit dem Balg 66 und dem Ball 67 senkrecht zur Oberfläche 31 bewegt. Zum Lösen der Feststellvorrichtung ist eine Luftschraube 68 an dem Bali 67 vorgesehen. Dieses luftbetätigte Feststellsystem ermöglicht ein sanftes Feetetellen und Freigeben des Kreisels 25, ohne daß das Instrument irgendwelchen störenden Kräften ausgesetzt werden muß, die die genaue Ausrichtung, welche für die genaue Bestimmung des Meridians erforderlich ist, beeinträchtigen könnten.

Fig. 2 zeigt auch eine andere Anordnung der Lagerung mit einer Anzahl von keramischen Wandlern

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46, 47 uod 48 (nicht dargestellt) auf der Kreisel« befestigungsplatte 51· Jeder dieser keramischen Wandler entspricht darin im wesentlicher» den Wandler 10 von Fig. 1, daß er eine Viertelwellenstützplatte, einen keramischen Kristall- und eine vibrierende Tragplatte besitzt« Die vibrierende Tragplatte, wie die Platte 49 des Wandlers 46 besitzt den gleichen Krümmungsradius wie die gegenüberliegende sphärische Oberfläche 31 der Lagerung 30. Vorspannbolzen dienen wiederum dazu, diese Wandler so anzuordnen, daß eine Achse, die im wesentlichen durch die Mitte der Torspannbolzen

verläuft, senkrecht zur Oberfläche 31 der Kreisellagerung 30 verläuft. Eine mögliche Orientierung für eine Anzahl von keramischen Wandlern nach Fig. 2 besteht darin, diese in einer symmetrischen Anordnung an der Befestigungeplatte 51 anzukleben oder sonstwie zu befestigen. Beispielsweise kann einer der Wandler 46, 47 und 48 jeweils an einem Scheitel eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sein, dessen Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt der Befestigungsplatte 51 zusammenfällt. Wenn die keramischen Zylinder auf diese Weise angeordnet sind, kann jeder der Wandler kleiner als der ein-

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sige keramische Zylinder 11 von Fig· I ausgebildet werden. Indem die Wandler In der gerade beschriebenen Weise angeordnet werden, ergibt eich die Wirkung einer überall vorhandenen sphäriechen gekrümmten konkaven Oberfläche, die konzentrisch zur sphärisch gekrümmten konvexen Oberfläche 51 der Lagerung 310 1st.

In Fig. 2 ist auch eine optische Anordnung 69« die nachstehend als "Telemikroekop" bezeichnet wird, dargestellt· Dieses Telemikroskop 69 stellt eine,geeignete Vorrichtung dar, um den Azimuth- «inkel eines Zieles zu bestimmen. Für diesen Zweck 1st eine kreisförmige Skala 45 auf eine lichtdurchlässige Scheibe 76 aufgedruckt· BIe Scheibe 1st konzentrisch zum Gehäuse in geeigneter V/eise an diesem befestigt und wird von einer Miniaturglühbirne 27 beleuchtet. Der Umfang der Skala 55 ist gleichförmig durch geeignete Markierungen, beispielsweise Grad und Unterteilungen davon, unterteilt· Die Achse 27 ist durch eine Torkalibriertingsanordnung fest und genau zur Nullmarke auf der Skala 55 ausgerichtet. Das Bild der Skala 55 wird durch das kreisförmige Fenster 74, die

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Linse 60 und den Strahlenteiler 62 nach Reflektion durch «in Ablenkprisma 65 Über die Okularlinee 64 · in dae Auge dee Beobachters 65 geleitet. Am Ende de· Teleekoprohres ist eine Ob^ektirlinee 61 tot* gesehen« die mit einen Verschluß 56 auegerüetet ist. Die Linse 61 vergrößert und fokussiert ein entferntes Ziel· Daa Bild des Ziele gelangt durch die Line· 61« den Strahlenteiler 62, das Prisma 65, die Okularlinee 64 ine Auge des Beobachters. Daher sieht der Beobachter ewei Bilder·

Dieses felsalkroskop ist la Asimuth mittel· eines Lagers 78 drehbar und be alt st eine besohrftnkte Drehbarkeit In Hebenrichtung ua ein Lager 75« dae in dsr Halterung 77 angeordnet 1st· Wenn sich der Krelaelkoapafi auf die ilerldianebene eingestellt hat« wird er tür Ruhe gebracht. Er kann entweder durch Feststellen oder vorzugsweise durch Ausschalten der Tragkraft auf den Kreiselkompaß zur Ruhe gebracht werden, indes die Oberflächen 31 und 52 in Bertthrung gebracht werden. Wenn sie miteinander In Berührung koaaen, selgt der Itullpunkt der Skala 55 den Meridian dar· Das Telemikroskop 69 kann dasu

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verwendet v/erden, eine direkte Anzeige des Azimuthwinkels eines zu beobachtenden Gegenstandes, dessen Winkel relativ zum Ortsmeridian bestimmt werden soll, zu erhalten. Das Telemikroskop 69 wird dazu um seine vertikalen und horizontalen Achsen gedreht, bis der Teleskopteil auf den Gegenstand ausgerichtet ist, dessen Azimuthwinkel bestimmt werden soll. Daraufhin wird die Drehung des Tele·* mikroskope um die Vertikalachse arretiert und das letztere wird in eine Nivellierposition gebracht, die sie von einer Nivellierblase 80 angezeigt wird· Der iiikroskopteil dee Telemikroskope dient nun dazu, die Position auf der stationären Skala abzulesen, deren Anzeige eine direkte Ablesung des Azimuthwinkels des Zielgegenstandes ermöglicht.

£8 ist nicht notwendig, daß der Ortsmeridian im stationären Zustand der Achse augeseiet wird, da der Azimuthwinkel eines Ziels auch bestimmt wer» den kann, wenn der KreiselkompaB um den Meridian schwingt. Bei dieser Betriebsweise wird das Teles» kop zunächst auf den Gegenstand gerichtet, dessen Azimuth bestimmt werden soll· Der Anfangswinkel,

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der unterhalb der Linse 60 abgelesen wird, wird darauf mittels des Telemikroskops 69 notiert und der Kreiselkompaß wird freigegeben. Die Schwingung wird dann auf der Skala 55 beobachtet und an dem Punkt der ersten Umkehr eine Ablesung vorgenommen, während des Teleskop noch auf das Ziel gerichtet ist. Wenn der Winkel bei der Ausgangsstellung von dem Winkel bei dem ersten Umkehrpunkt, wie er auf der Skala abgelesen wird, subtrahiert wird und das Ergebnis halbiert wird, ergibt dieses den Azimuthwinkel des zu bestimmenden Gegenstandes.

Die Benutzung des Kreiselkompasses nach der vorliegenden Erfindung zur Bestimmung des Meridians erfolgt damit während einer Schwingbewegung des eich nach Norden ausrichtenden Kreisels. In vielen Anwendungsfällen ist dieses Bin- und !erschwingen um diesen Meridian zufriedenstellende In einigen Anwendungsfällen ist es jedoch wesentlich, daß der Kreiselkompaß den Meridian schnell und genau ohne Schwingen angibt. Diese Betriebsweise wird als gedämpfte Betriebsweise bezeichnet« bei der die Spinachse den Meridian erreicht, ohne über ihn hinauszulaufen. Diese gedämpfte Betriebsweise

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hat den wesentlichen Vorteil, daß die Nullmarke auf der Skala auf den Meridian ausgerichtet ißt, wenn dtr Kreisel sein« endgültige Ruhestellung erreicht. Alle Aiiautwißk«l brauchen dann nur «in* ■al gegenüber des Ortsaerldian, weloher von der Rullmmrke an der Skala angaseigt wird, abgelesen werden»

Es wurde zuvor in Verbindung mit der Präzeseien de· Kreisels bei Fehlausriehtung seiner Achse relativ tür Horieontalkoeponente der Drehbewegung der Erde beschrieben, daft die kinetische Energie des Kreiselkompasses 25 In potentielle Energie umgewandelt wird, wenn der Kreisel über die Meridianeben· hinaus schwingt· Beim gedSnpften Setrieb wird nach der vorliegenden Erfindung diese kinetische Energie absorbiert« indes absichtlich Reibung zwiechen der Kreisellagerung 30 und der Grundplatt· 17 erzeugt wird· Diese Reibung wird erzielt, indem intermittierend die Dicke des Zwischenraumes •wischen den Oberflächen 31 und 32 in einer nachstehend noch näher beschriebenen Weis· verringert wird· Haeh diese« Merkeal der vorliegenden Erfindung werden daher Reibungskraft· in der Fern von

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Viskositäts- oder Couloiabreiiaung, welche bei den bekannten Kreiseln ein Hemmnis darstellten, einem neuen nützlichen Zweck zugeführt, nämlich der Dämpfung des Kreiselkompasses.

Die Dämpfungsvorrichtung nach der Erfindung ist in Blockform in Fie« 3 dargestellte Sie enthält einen Amplitudenmodulator 97» welcher mit einer Verstärker-Oszillator-Kombination 95 und den keramischen Wandlern 46, 47 und 48 verbunden ist. Der Impulswellenzug von Fig. 4A stellt eine amplitudenmodulierte Spannung mit einem hohen Spannungswert E^ während des Zeitintervalls t^ und einem niedrigen Spannungswert E₂ während des Zeitintervalls tg dar. Fig. 4B zeigt diese Amplitudenwerte auf einer Kräfteskala, bei der die entsprechenden Dämpfungskräfte als Kräfte S^ und F₂ eingetragen sind. Diese Dämpfungswellenzüge können so vorgegeben werden, daß die von dem Kreisel im Zeitintervall t/j unter dem Einfluß des zuvor erwähnten, auf den Meridian gerichteten Drehmoments erzeugten Kräfte intermittierend einer beträchtlichen Dämpfungekraft F₂ während der Zeitintervalle t₂ ausgesetzt werden. Bei dieser Art der Dämpfung nach

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der Erfindung muß also die auf den Meridian gerichtete Bewegung wahrend der verhältnismäßig kurzen Zeitintervalle t2 entweder vollständig oder größ₌ tenteils unterdrückt werden, während der Kreisel in den längeren Zeitintervallen t^ frei auf die Meridianebene zu präcessiert«, Ein allmähliches schwingungsfreies Erreichen des Meridians kann also durch intermittierenden Betrieb erreicht werden. Diese intermittierende Annäherung ergibt einen gedämpften, sich auf Nordricbtung einstellenden Kreiselkompaß, der frei ist von lästigen und komplexen Meßeinrichtungen und komplizierten Bückkopplungsservosysteinen, die für frühere Kompasse charakteristisch waren· Erwähnenswert ist, daß selbst im Falle einer großen Dämpfungskraft P^j, wie beispielsweise bei trockener Reibung, die Freiheit der Bewegung zwischen den Dämpfungsintervallen, d.h_e den Intervallen t^, ein genaues schließliches Erreichen des Meridians gewährleistet.

Die Erfindung wurde zuvor anhand einer besonderen Ausführung der vibrierenden Lagerung der Grundplatte 17 beschrieben. Selbstverständlich ist die

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Erfindung nicht hierauf "beschränkt. Stattdessen können beliebige andere geeignete Vibrationseinrichtungen verwendet worden, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.

Ein Beispiel einer anderen Form und Anordnung des piezoelektrischen Materials nach der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt, in der das piezoelektrische Material 81 mittels eines rohrförmigen Metallbolzens 82 in geeigneter Stärke vorgespannt ist, der die obere Grundplatte 85 und eine Stützplatte 84. mittels einer Mutter 85 verbindet· Ein solcher Aufbau kann dann an einer festen Abstützung so befestigt werden, daß er in Viertelwellenlängenart schwingt. Diese Anordnung von Fig. kann auch auf einer Viertelwellenstützplatte 41 montiert sein, um einen Halbwellenwandler zu bilden. In diesem Falle wird sie in der Kitte an dem Knoten mit der Geschwindigkeit Null festgeklammert, wie es in Fig. 5A eingezeichnet ist, wobei die beiden Enden in Gegenphase schwingen·

Eine feste Abstützung kann auch bei einer anderen Ausführungsform, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist,

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vorgesehen sein, "bei der äie Länge des keramischen Zylinders 11 der Länge eines anderen keramischen Zylinders HA entspricht. Dieses Zylinderpaar und die beiden Endplatten sind durch einen geeigneten Bolzen an gegenüberliegenden Seiten eines Kragens HD miteinander verbunden, welcher an dem Nullknoten in der Mitte angeordnet ist.

Weiterhin brauchen die piezoelektrischen Materialien nicht in Querrichtung elektrisch erregt werden, sondern können je nach den Anwendungsbedingungen in Parallelricbtung betrieben werden, d.h. daß das elektrische Treibfeld und die Vibration in der gleichen Richtung liegen. Pig. 7 und 8 zeigen beispielsweise eine solche Parallelerregung. In Fig. ist der Wandler so aus einem Paar dünner keramischer Scheiben 88 gebildet, die in geeigneter Weise in Bewegungsrichtung polarisiert sind und zwischen einer Endplatte 89 und der Grundplatte 17 mit Bolzen verbunden sind.

Bemerkenswert ist, daß bei dieser Form an jede. Platte das volle Erregungspotential angelegt werden kann, was einen hohen Feldgradienten ohne Veriven-

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dung einer hohen Erregungsspannung ermöglicht. Die keramischen Scheiben 88 können wegen dieser kompakten Konstruktion ganz dünn sein und werden deshalb durch die volle elektrische Spannung, die deder Scheibe zugeführt wird, stärker beansprucht.

Ein anderer piezoelektrischer '.Vandler ist in Fig· 8 dargestellt. Die Arbeitsweise dieses Wandlers hängt von der radialen Expansion zweier dünner polarisierter keramischer Scheiben 92 ab, die an gegenüberliegenden Seiten einer Stahlplatte 95 angeklebt sind, die sowohl die Festigkeit wie den Befestigungsflansch liefert. Die beiden keramischen Scheiben 92 werden von axial angelegten elektrischen Feldern in einer solchen Bezugsrichtung zur Polarisationsrichtung der Scheiben angetrieben, daß sich eine der keramischen Scheiben zusammenzieht, während die andere in radialer Richtung expandiert» Die Befestigungsplatte wird dadurch gezwungen, Biegeschwingungen in einer Weise durchzuführen« die einer vibrierenden kreisförmigen Platte entsprechen, welche an ihren Bändern eingespannt ist·

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Fig. 9 zeigt schematisch eine .Rückkopplungsanordnung für die Bildung eines selbsterregten Resonanzwandlers, welcher keinen äußeren Oszillator "benötigte Es ist bekannt, daß sich die Eigenfrequenz eines piezoelektrischen Wandlers mit der Temperatur, der Belastung und dem Alter leicht änderte Es ist daher erstrebenswert, einen äußeren,mit fester Frequenz arbeitenden Oszillator zu veraeiden und stattdessen von den Schwingungseigenschaften des Wandlers selbst Gebrauch zu machen. In Fig. 9 wird ein Rückkopplungsleistungsverstärker

100 von einem Signal erregt, das von dem Wandler

101 in solch einer Weise abgenommen wird, daß die Schwingung des Wandlers bei seiner Resonanzfrequenz erfolgt. Dieses fiückkopplungssignal vom Wandler 101 kann in verschiedener Weise erzeugt werden, wobei eine davon schematisch in Fig. 9 dargestellt ist« Der Wandler 101 von Fig. 9 ist schematisch durch einen äquivalenten elektrischen Stromkreis dargestellt, welcher Kondensatoren 103 und 104, eine Induktivität 105 und einen Widerstand enthält. Der Kondensator 103 stellt die dielektrische Kapazität C₀ des Wandlers 101 dar. Der Kondensator 103 wird vorzugsweise mittels einer pa-

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rallelgeschalteten Induktivität 108 der Größe L_Q abgestimmt,. Ein Strom Im, der durch den Wandler 101 fließt, land die Spannung Em an dem Wandler sind ein Maß für die Impedanz Z_m « R_n + J

(WL - ij&TT-) des Wandlers ο Änderungen in der Impedanz Z_1n sind daher von entsprechenden Veränderungen in der Spannung E_m oder im Strom I_m des Wand« lers 101 begleitet.

Ein Teil E™ der Wandlerspannung E_m am Widerstand 110 wird über ein Phasenkorrekturnetzwerk 111 zu den Eingangsanschlüssen des Verstärkers 100 zurückgekoppelt· Bas Phasenkorrekturnetzwerk 111 und der Verstärker 100 sind so eingestellt, daß eine stabile Schwingungsamplitude des handlers 101 bei der gewünschten axialen Resonanzfrequenz erzeugt wird* vienn diese Anordnung richtig eingestellt ist, liefert sie eine verhältnismäßig konstante Schwingungsamplitude, die symbolisch als Pfeil 112 dargestellt ist, unabhängig von normalen Veränderungen der Resonanzfrequenz des Wandlers 101.

Andere Vibrationseinrichtungen für die Grundplatte

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können statt aus Keramik aus magnetostriktiven Wandlern bestehen, die aus einem Stapel dünner isolierter Lamellen aus magnetostriktivem Material gebildet sind, welche an ihrem Tragende mit einem Sockel verbunden sind, während das andere finde mit einem Viertelwellenmetallabschnitt verbunden ist. Bestimmte magnetostriktive Materialien, wie beispielsweise Nickel, können vorteilhaft in der Form eines dünnen Rohres ähnlich wie die keramischen Zylinder verwendet werden« Die magnetostriktiven Materialien sollten vorzugsweise magnetisch vorgespannt sein, da sonst die Vibrationsfrequenz des Aufbaue doppelt so groß ist vie die Speisefrequena des Oszillators, Magnetostriktive Wandler sind als solche dem Fachmann bekannt und brauchen daher nicht weiter erörtert zu werden.

Die Vibrationseinrichtungen nach der Erfindung können .auch elektrodynamisch mittels Einrichtungen, wie Lautsprecherspulen, hin-und hergehender Anker und elektrischer Motore, angetrieben werden. Im allgemeinen sind diese Antriebe jedoch nicht so vorteilhaft wie die zuvor beschriebenen mit piezoelektrischen und magnetostriktiven Materia-

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lien. Ihre Verwendung als Vibrationseinrichtung liegt jedoch im fiahmen der vorliegenden Erfindung.

Die vorstehend genannten Grundgedanken und Merkmale der Erfindung sollen nur das Prinzip der Erfindung erläutern· Zahlreiche Abwandlungen können vom Fachmann vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims (1)

1. SS

   1350

   Ansprüche

   iSSBSSSSSl

   1. Vorrichtung zum Abstützen einer Last, insbesondere der Rotorlagerung eines Kreiselkompasses, durch eine tragende Schicht eines Druckmediums, gekennzeichnet durch mindestens eine Grundplatte (17, 4-9) mit einer konkaven Oberfläche (32) in form eines Kugelsegments mit auf einer Mittelachse angeordnetem Mittelpunkt; eine Lagerplatte (30), deren untere Lagerfläche (31) ein konvexes Kugelsegment ist, dessen Radius und Mittelpunkt im wesentlichen denen der konkaven Grundplattenoberfläche (32) entsprechen, über der die Lagerplatte (30) angeordnet ist; eine auf der Lagerplatte (30) so befestigte Last (25, 26), daß der resultierende Schwerpunkt von Last und Lagerplatte unterhalb des Mittelpunktes der Lagerfläche (31) liegt, und eine Vibrations-

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   einrichtung (1O)₄ die die Grundplatte (1?) parallel zur kittelachse in Schwingungen von einer !frequenz und Amplitude versetzt, die geeignet ist, zwischen den "beiden Flächen (5I₉ 52) einen Gasfilm zu erzeugen, der die "beiden Oberflächen in Abstand voneinander hält.

   2· Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Last ein die Nordrichtung anzeigender Kreiselkompaß ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (26) des Koepasses in einem auf der Lagerplatte (50) befestigten Rahmen (28) um eine Spinachse (29) drehbar angeordnet ist, die sich im wesentlichen lotrecht zu einer durch den Mittelpunkt der Lagerfläche (51) der Lagerplatte (50) und den resultierenden Schwerpunkt von Last und Lagerplatte verlaufenden geraden Linie erstreckt.

   3. Vorrichtung nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet, daß Last (25, 26) und Grundplatte (50), abgesehen von der Schwerkraft, von äußeren Kräften frei sind, so daß die Drehung der Ivdttelachse relativ zur Grundplatte Abweichungen der Vorrichtung gegenüber der Senkrechten anzeigt.

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   4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationseinrichtung einen mit der Grundplatte (30) verbundenen Wandler mit einer auf eine bestimmte Frequenz eingestellten mechanischen Impedanz; einen Verstärker; den Wandler parallel zum Ausgang des Verstärkers elektrisch verbindende Einrichtungen; und ferner ein Netzwerk (111) aufweisen, das den Ausgang des Verstärkers mit seinem Eingang in solcher Phasenbeziehung rückkoppelt, daß die Schwingungen die gewünschte Frequenz beibehalten.

   5o Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationseinrichtung eine feste Abstützung; einen zylindrischen, in axialer .Richtung schwingungsfähigen, zwischen Grundplatte und Abstützung eingespannten Wandler (11) und eine Vorrichtung aufweist, die den Wandler derart in Viertelwellenlängen-Vibration in axialer ßichtung versetzt, daß das der Abstützung benachbarte Ende des Wandlers sich in der Knotenebene befindet·

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   6· Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung eine in Viertelwellenlängenart schwingende Stützplatte (84) aufweist, deren Erregung durch den Wandler derart erfolgt, daß die Knotenebene der Schwingungen nahe dem dem Wandler benachbarten Plattenende liegt (Fig. 5).

   7· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationseinrichtung eine feste metallische Abstützung, eine an der einen Seite dieser Abstützung angeordnete erste axial polarisierte, piezoelektrische Scheibe (88) und eine ebenfalls axial polarisierte« auf der anderen Seite der Abstützung angebrachte zweite piezoelektrische Scheibe (88), an beiden Seiten dieser piezoelektrischen Scheiben vorgesehene erste und zweite Metallplatten sowie eine diese Teile aneinander befestigende Vorrichtung aufweist, und daß eine elektrische Stromquelle vorgesehen ist, deren eine Seite an die Metallplatten und deren andere Seite an die Abstützung angeschlossen ist (Fig. 7).

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   8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationseinrichtung eine mit der Grundplatte (17) verbundene Platte (93); an gegenüberliegenden Seiten dieser Plätte angeordnete radial polarisierte piezoelektrische Scheiben (92); und Einrichtungen zur Erzeugung eines axial zu den Scheiben verlaufenden Felds aufweist, welch letzteres eine der Seheiben radial zusammenzieht und die andere gleichzeitig radial ausdehnt (Fig. 8)..

   9« Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerplatte ;(30) an ihrer unteren Fläche (31) eine Ausnehmung aufweist, in die eine Feststelleinrichtung (52) eingreifen kann, die an dem beweglichen Ende eines aufblasbaren und zusammenziehbaren Balgs (66) angeordnet' ist (Fig.

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