DE1908266A1

DE1908266A1 - Vorrichtung zur Stabilisierung eines Koerpers gegen eine schwingende Winkelverschiebung aus einer Bezugsstellung um eine erste Achse herum

Info

Publication number: DE1908266A1
Application number: DE19691908266
Authority: DE
Inventors: Fersht Samuel Nathan
Original assignee: Santa Fe International Corp; Tetra Tech Inc
Current assignee: Santa Fe International Corp; Tetra Tech Inc
Priority date: 1968-02-19
Filing date: 1969-02-19
Publication date: 1969-09-11
Also published as: US3576134A; FR2002136A1; NL6900745A; DE1908266B2; GB1240052A; SE357173B; NO124768B; DE1908266C3

Description

1 9. FEB. 1969

und Santa Fe International Corp.

Santa Fe Springs. OaI.. Y.St.A.

Vorrichtung zur Stabilisierung eines Körpers gegen eine schwingende Winkelverschiebung aus einer Bezugsstellung um eine erste Achse herum

Die Erfindung bezieht sich auf die Stabilisierung von Körpern gegen schwingende Winkelverschiebungen und betrifft insbesondere ein Kreiselinstrument, welches eine außergewöhnlich wirksame Stabilisierung zu gewährleisten vermag.

Es ist seit langem bekannt, daß ein Kreisel so angeordnet werden kann, daß er einen Körper gegen eine schwingende Winkelverschiebung zu_% stabilisieren vermag. Kreiselstabilisatoren werden beispielsweise bei Schiffen verwendet, um die Rollbewegung des Schiffs um seine Längsachse zu unterdrücken, da diese Rollbewegung bei Seereisen den Passagieren großes Unbehagen bereitet. Theoretisch könnte diese Aufgabe durch einen passiven Kreiselstabilisator erfüllt werden. Die Schwierigkeit bei einer passiven Vorrichtung besteht jedoch darin, daß ein außergewöhnlich schwerer Rotor erforderlich ist, um eine zufriedenstellende Stabilisierung zu bewirken, und daß dieser Rotor einen großen Aufbau zu seiner lagerung benötigt. Typischerweise müßte ein bei einem Sohiff eingesetzter passiver Kreiselstabili- sator etwa 1/20 des Sohiff gewicht s haben, um wirksam sein zu können. Aus diesem Grund wurde die Verwendung eines passiven Stabilisators zugunsten eines aktiven Kreiselatabilisators bzw. einer aktivierten KLossenanordnung aufgege-

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ben. Der aktive Stabiliaator ermöglicht die Verwendung eines kleineren Rotors mit kleinerer Lagerungskonstruktion, erfordert jedoch die Vorsehung einer größeren Menge an Zusatzausrüstungen, wie eines Steuerkreisels, eines Motors sowie mechanischer Selenverbindungen und Zahnräder. Der aktive Stabilisator ist außerdem komplizierter in seiner Arbeitsweise und aus diesem Grund schwieriger in einwandfreiem Betriebszustand zu halten. Andererseits sind die aktivierten Flossen nur innerhalb eines engen Bereichs verhältnismäßig hoher Geschwindigkeiten wirksam.

Die britische Patentschrift 549 893 offenbart einen auf einer Scheibe montierten passiven Kreiselstabilisator zur Dämpfung von Schwingungen einer Scheibe um ihre Achse herum. An der Welle, auf welcher sich der Kompassbügel bzw. der Kardanring dreht, ist ein einstellbarer Drehenergiedämpfer befestigt, während zu beiden Seiten der Kardan-Drehachse Federn zwischen den Kardanring und die Scheibe eingesetzt sind, welche ein Aufricht-Drehmoment auf den Kardanring ausüben, wenn er einer Winkelverschiebung aus einer Bezugsstellung unterworfen worden ist, wobei die Härte der Federn so gewählt ist, daß das Kreiselsystem eine vorausgewählte Eigenfrequenz erhält. In dieser britischen Patentschrift finden sich keine weiteren Angaben bezüglich der Federeigenschaften.

Erfindungsgemäß wird ein Rückst eil- bzw. Aufrichtmoment, welches in einzigartiger Weise der Winkelverschiebung um die Kardanachse aus einer Bezugsstellung proportional ist, an den Kardanring eines Kreiselstabilisatora angelegt, welcher in der Weise an einem zu stabilisierenden Körper gelagert ist, daß die Kardanachse senkrecht zur Stabili-

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sierungsachse steht. Dabei ist das Verhältnis von Aufrichtmoment zu Winkelverschiebung des Kardanrings gegenüber der Frequenz des auf den Körper einwirkenden Schwingungsmoments so gewählt, daß diese Frequenz praktisch zwischen den Spitzen der Winkelverschiebung des Körpers um die Stabilisierungsachse als Funktion der Frequenz des einwirkenden Drehmoments liegt. Infolgedessen kann eine wesentlich wirksamere Stabilisierung gewährleistet werden als dies bisher bei einem passiven Kreiselstabilisator als möglich angesehen wurde. Wenn die Frequenz des einwirkenden Drehmoments bei einfachen Harmonischen liegt bzw. sich einfachen Harmonischen annähert, entspricht das Verhältnis von Aufrichtmoment zu Winkelverschiebung praktisch I₂ (2jT f) , wobei f die Frequenz des einwirkenden Drehmoments und Ip das Trägheitsmoment der Kardananordnung um die Kardanachse herum bedeuten.

Ein Merkmal der Erfindung besteht in der Anlegung eines Eückstell- bzw. Aufrichtmoments mittels einer Vorrichtung mit einstellbaren Aufriehteigenschaften, wie einer hydraulischen Feder. Auf diese Weise kann das Verhältnis von Aufrichtmoment zu WinkelverSchiebung bei Änderung der Frequenz des einwirkenden Drehmoments verstellt werden. Dieses Merkmal ist speziell für die Stabilisierung eines auf See befindlichen Schiffs von Vorteil, da sich die Frequenz des Seegangs von Zeit zu Zeit ändert. Es hat sich herausgestellt, daß durch Einstellung der Feder-Rückstelleigenschaften ein Kreiselstabilisator an Bord eines Schiffs wirksam an Änderungen der Wellenfrequenz angepaßt werden kann, während die Einstellung des Dämpfungskoeffizienten um die Kardanachse in dieser Hinsicht nicht wirkungsvoll ist.

Vorteilhafterweise wird die Frequenz des einwirkenden Dreh-

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moments gemessen und wird die Aufriehtcharakteristik automatisch in Abhängigkeit von Änderungen der gemessenen Frequenz eingestellt. Zur Reduzierung der Winkelverschiebung des Kardanrings infolge von Präzession ohne Beeinträchtigung der Stabilisierung wird eine nicht-lineare Auf rieht charakteristik angewandt, d.h. eine Auf richtcharakteristik, die sich als Funktion der Winkelverschiebung des Kreisels ändert. Genauer gesagt, erhöht sich die Auf rieht charakteristik mit zunehmender Winkelverschiebung des Kardanrings aus der Bezugs st ellung. Die Auswahl des Werts der Aufrichteigenschaft in der Nähe der Bezugsstellung wird durch den Faktor Stabilisierung bestimmt, während die zulässige Präzession-Winkelverschiebung die Auswahl des Werts der Auf rieht charakteristik in der Höhe der Enden des Winkelausschlags des Kardanrings bestimmt. Zwischen diesen beiden Werten ist der Wert der Aufrichtcharakteristik vorzugsweise so gewählt, daß ein gleichmäßiger Übergang gewährleistet wird und mithin harte Stöße gegen Rahmen und Kardanring des Stabilisators vermieden werden.

Ein anderes Merkmal der Erfindung besteht in der Schaffung zweier identischer Kreiselstabilisatoren, deren Kardanringe so angeordnet sind, daß sie sich auf parallelen Achsen drehen, und deren Rotore sich gegenläufig drehen. Infolge dieser Anordnung wird die Auswirkung einer Winkelverschiebung um eine parallel zu den Kardanachsen verlaufende Achse bei der Stabilisierungswirkung aufgehoben, wobei die Wirkung auf den einen Stabilisator der Wirkung am anderen Stabilisator gleich und entgegengesetzt ist.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

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Mg. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kreiselstabilisators mit einstellbaren hydraulischen Federn,

Mg. 2 ein Blockschaltbild eines Steuersystems zur automatischen Einstellung der Aufrichtcharakteristik der hydraulischen Federn gemäß Mg. 1,

Fig. 3 eine Vorderansicht eines auf See befindlichen Schiffs,

Mg. 4 eine Seitenansicht eines auf See befindlichen Schiffs mit zwei identischen Kreiselstabilisatoren,

Mg. 5 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung typischer-Freq.uenzgangkurven für unterschiedliche Feder-Aufrichtcharakteristiken und

Fig. 6 eine graphische Darstellung- idealer und tatsächlich nicht-linearer Feder-Aufrichtcharakteristiken.

Die Erfindung eignet sich speziell zur Stabilisierung eines auf See befindlichen Schiffs gegen durch Welleneinwirkung hervorgerufene Rollbewegungen um die Schiff-Iängsachse. Die Erfindung ist daher im folgenden in Verbindung mit der Stabilisierung eines Schiffs gegen Rollbewegungen beschrieben, doch sind die Erfindungsprinzipien gleichermaßen auf jede Art von Körpern anwendbar, v/elche schwingenden Drehmomenten unterworfen sind. In Fig. 3 ist ein Schiff 1 dargestellt, dessen Längsachse mit 2, dessen Querachse mit 3 und dessen die Achsen 2 und 3 schneidende Hochachse mit 4 bezeichnet ist. Wenn die freie Oberfläche 5 der See Wellenbildung zeigt, wird das Schiff

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1 schwingenden Drehmomenten unterworfen, die um die Längsachse 2,-d.h. um die Rollachse des Schiffs 1, am stärksten zutage treten. In !ig. 3 ist das Schiff 1 mit einem Krängungswinkel θ aus seiner aufrechten Lage dargestellt, während die freie Wasseroberfläche am. Schiff 1 einen Neigungswinkel λ gegenüber der Waagerechten "besitzt. Ohne Stabilisierung könnte das Verhältnis ® bis zu 50§1 oder 100:1 betragen. Der Zweck der Stabilisierung besteht in einer Reduzierung dieses Verhältnisses auf einen Wert von unter 1 und idealerweise auf Hull. Wenn dieses Verhältnis Kuli betragen ?rärde, würde das Schiff 1 unabhängig von der Neigung der Wellen, in perfekt waagerechter Lage verbleiben.

In Fig. 1 ist ein Kreiselstabilisator dargestellt_s der eine am Schiff 1 (Pig. 3) befestigte Traganordnung 6 aufweist. Ein Kardanring 7 ist gegenüber der Traganordnung 6 um die Schiffs-Querachse 3 drehbar gelagert. Zu beiden Seiten des Kardanrings 7 sind Schwenkzapfen 9 und 10 befestigt, die längs der Querachse 3 vom Kardanring abstehen und in in der Traganordnung 6 vorgesehene Lager 11 bzw» 12 eingesetzt sind. Ein Rotor 13 ist auf einer felle 14 montiert, die ihrerseits drehbar in in einander gegenüberliegenden Seiten des Kardanrings 7 vorgesehenen Lagern 15 und 16 gelagert ist. Der Rotor 13 ist mit einer nicht dargestellten herkömmlichen, elektrischen oder pneumatischen Einrieb« tung versehen, welche ihn um eine Drehachse 17 in 'Drehung versetzt. Vorzugsweise steht die Drehachse 17 senkrecht zur Querachse 3, doch kann sie theoretisch durch jede beliebige, gegenüber der Querachse 3 nicht-parallele Achse gebildet werden. Zwischen den Körper des Schiffs 1 und den Kardanring 7 sind zu beiden Seiten der- Querachse 3 herkömmliche hydraulische Federn 18 und 19 eingefügt, welche

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eine Kraft ausüben, wenn sie in irgend einer Richtung aus ihrem Ruhezustand verlagert werden, wobei diese Kraft der Verlagerung unmittelbar proportional ist. Die Federn 18 und 19 werden anfänglich so eingestellt, daß sie sich in ihrem Ruhezustand befinden, wenn der Kardanring 7-eine Bezugsstellung um die Querachse 3 gegenüber dem Schiff 1 einnimmt, und zwar vorzugsweise die Stellung, in welcher die Drehachse. 17 senkrecht zur Längsachse 2 steht. In diesem Fall wird an den Kardanring 7 kein Drehmoment angelegt. Jedesmal, wenn der Kardanring 7 einer Winkelverschiebung aus der Bezugsstellung um die Querachse 3 unterworfen wird, üben die Federn 18 und 19; in die entgegengesetzte Richtung wirkende Kräfte auf den Kardanring 7 aus. Infolgedessen wird auf den Kardanring 7 eine Rückstell— "bzw. Aufrichtkraft ausgeübt, die bei kleinen Winkelverschiebungen eine lineare, d.h. proportionale Funktion der Winkelverschiebung des Kardanrings 7 aus der Bezugsstellung um die Querachse 3 ist. Die hydraulischen Federn 18 und 19 können jeweils einen Kolben aufweisen, der sich durch einen mit Luft gefüllten Zylinder verschiebt. Ein mit dem Zylinder in Verbindung stehender Behälter ist mit Luft und Öl unter Trennung durch eine bewegbare Membran gefüllt. Die Rückstell- bzw. Auf richtcharakteristik der Federn 18 und 19 hängt von der Kompressibilität der im Zylinder befindlichen Luft ab, wobei diese Charakteristik nach bekannten Verfahren durch Änderung des Verhältnisses von Luft zu Öl im Behälter geändert werden kann. Wenn die im Behälter befindliche Ölmenge vergrößert wird, nimmt die Luftmenge ab und vergrößert sich das Aufrichtvermögen. Eine durch einen Arbeitszylinder betätigte Bremse 30 ermöglicht eine Herabsetzung der Winkelgeschwindigkeit des Rotors 13.

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Wenn durch, den Seegang auf das Schiff 1 ein Drehmoment um die Längsachse 2 ausgeübt wird, findet Präzession statt, wobei sich der Rotor 13 und die Welle H um die Achse 3 verdrehen. Infolgedessen wird der Kardanring 7 um die · Querachse 3 aus der Bezugsstellung verlagert, so daß die Federn 18 und 19 ein Aufrichtmoment auf den Kardanring 7 ausüben. Dieses sowie andere auf den Kardanring 7 ausgeübte Drehmomente bewirken ihrerseits ein Kraftmoment um die Längsachse 2, welches der Rollbewegung des Schiffs um die Längsachse 2 entgegenwirkt.

Die Winkelbewegung des Schiffs 1 um die Längsachse 2 und die Winkelbewegung des Kreiselstabilisators gemäß Fig. 1 um die Querachse 3 genügen den Gleichungen

(1) I₁O + C₁O + Wh© + JÜJZT « WhK (t) bzw.

(2) I₂# + C₂0 + KL²JZi - J.ae = 0.

Hierin bedeuten:

I₁ β das Trägheitsmoment des Schiffs um die Rollachse 2,

O₁ = den Dämpfungskoeffizienten des Schiffs um die Rollachse 2,

W a das Schiffsgewicht,

h a die metazentrisohe Höhe des Schiffs,

J = das Trägheitsmoment des Rotors 13 und der Welle 14 um die Achse 17»

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Π = die Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Rotors 13,

I₂ = das Trägheitsmoment der Kardananordnung (Kardanring 7, Rotor 13, Schwenkzapfen 9 und 10 sowie Welle 14) um die Querachse 3»

C₂ = den Dämpfungskoeffiziienten der Kardananordnung um die Querachse 3,

K = das Rückstell- bzw. Aufriohtvermögen (Federkonstante) der Federn 18 und 19,

1 = der Abstand zwischen den Berührungspunkten der Federn 18 und 19 mit dem Kardanring 7,

θ =* den Krängungswinkel des Schiffs 1 um die Längsachse 2 aus seiner waagerechten Lage,

0 =» die Winkelverlagerung des Kardanrings 7 um die Querachse 3 aus der Bezugsstellung,

OC (t)= die Neigung der freien See-Oberfläche am Schiff 1 als Funktion der Zeit}

die Doppelpunkte über θ und φ stellen die zweite Ableitung nach der Zeit dar und

die Einfachpunkte über O und φ bedeuten die erste Ableitung nach der Zeit.

Die vorstehenden Gleichungen vernachlässigen die Stampfbewegung des Sohiffs um die Querachse 3 und setzen voraus,

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daß die Werte der Winkelverlagerungen 0 und Q praktisch kleiner als 1 "bleiben und daß die Schiffsbreite kleiner ist als die halte Wellenlänge des Seegangs. In Gleichung (1) "bedeuten, von links nach rechts gelesen, der erste Summand die Trägheit des Schiffs 1 um die Längsachse 2_S der zweite Summand die Dämpfung des Schiffs um die Längsachse 2, der dritte Summand das Aufriehtmoment, welches das Schiff zur"Rückkehr in die waagerechte Lage zwingt, der vierte Summand das Präzesaion-Drehmoment infolge der Winkelgeschwindigkeit der Kardananordnung um die Querachse 3 und der Ausdruck auf der rechten Seite das durch den Seegang auf das Schiff 1 ausgeübte Drehmoment, während in Gleichung (2), ebenfalls von links nach rechts gelesen, der erste Summand die Trägheit der Kardananordnung um die Querachse 3, der zweite Summand die Dämpfung der Kardananordnung um die Querachse 3, der dritte Summand das durch die Federn 18 und 19 auf den Kardanring 7 ausgeübte Aufrichtmoment und der vierte Summand das Präzession-Drehmoment infolge der Winkelgeschwindigkeit des Schiffs um die Längsachse 2 angeben. Unter der Voraussetzung, daß das auf das Schiff ausgeübte Drehmoment eine einfache Harmonische darstellt, d.h. daß sich die Neigung X(t) der See am Schiff 1 sinusförmig als Funktion der Zeit mit einer maximalen Neigung von OC ändert und sichrer Krängungswinkel θ des Schiffs um die Längsachse 2 sinusförmig als Funktion der Zeit mit einer maximalen Winkelverlagerung von Q ändert, während sioh die Winkelverlagerung $ des Kar-

o ^J

danrings 7 um die Querachse 3 sinusförmig als Funktion der Zeit mit einem maximalen Ausschlag von 0_Q ändert, ergeben die Gleichungen (1) und (2) das folgende Verhältnis als Funktion der Frequenz f des Seegangs, d.h. der Funktion des einwirkenden Drehmoments?

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(3)

[W₂-W ) +4UgW JL₁ 2

-w^) (xig-w^) -

O Ö

[U₁ (wg-w^) +u_g (W₁-W* )j

W₁ oc

2f I⁴"¹

-w

^-w² )J ²}|

deren Ausdrücke folgende Bedeutung haben:

2 Wh

Ί=Ϊ7

2 Kl^£

_ I f
^Ul ~ 2 I

_ i

2 ~ 2

und

w = 2 T f

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Die Aufgabe eines Schiff-Stabilisators, ausgedrückt durch Gleichung (3), besteht darin, den Wert191 möglichst klein zu machen. Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird der Wert

Il 2 2

©₀|sehr klein_p wenn W₂ gleich w gemacht wird, sofern das einwirkende Drehmoment als einfache Harmonische betrachtet werden kann. Mit anderen Worten wird das Verhältnis des Aufrichtmoments am Kardanring 7 durch die der Winkelverlagerung entgegenwirkenden Federn 18 und 19»

ρ —t O

welches dem Ausdruck KL entspricht, gleich I₂ (2 Ji f) gemacht. In diesem Fall läßt sich der Verstärkungsfaktor des Schiffs und des Stabilisators wie folgt ausdrücken!

xo Cw²(p<iil

Herkömmliche Schiff- und Stabilisator-Parameter besitzen solche Werte, daß der Zähler der Gleichung (5) über den ganzen Bereich von Frequenzen, wie sie normalerweise bei Seegang ohne Verwendung eines Rotors praktisch nicht anwendbarer Größe auftreten, wesentlich kleiner ist als der Nenner. Typischerweise kann eine Stabilisierung mit einem Verstärkungsfaktor von 0,05 oder besser mit einem Stabilisator erzielt werden, dessen Gewicht weniger als 1,5$ des Schiffsgewichts beträgt. Der Wert für W₂ läßt sich bei Änderung der Frequenz der Seegang-Wellen einfach und zweckmäßig durch Anpassung bzw. Einstellung des Aufrichtvermögens K der Federn 18 und 19 ändern. Auf diese Weise kann der durch die Gleichung (5) ausgedrückte optimale Verstärkungsfaktor ohne weiteres aufrechterhalten werden. Durch die Einstellung irgend eines anderen Para-

meters als w| (einschließlich des Dämpfungskoeffizienten C₂) könnte der optimale Verstärkungsfaktor gemäß Gleichung

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(5) bei sich ändernder Wellenfrequenz nicht eingehalten werden.

Mg. 5 ist eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung des Verstärkungsfaktors als Punktion des Reziprokwerts -j der Wellenfrequenz ι d.h. der Schwingungsperiode der Wellen, für ein Federn-Auf richtvermögen "bei verschiedenen diskreten Werten.· Diese Frequenzgangkurven beruhen auf den gleichen Voraussetzungen wie oben erläutert. Die Frequenzgangkurven 42, 43, 44» 45 und 46 stellen den Verstärkungsfaktor für jeweils abnehmende Werte des Aufrichtvermögens K zwischen UuIl und Unendlich dar. Die Kurven 42 bis 46 besitzen jeweils eine hochfrequente Spitze an der linken Seite, eine niederfrequente Spitze an der rechten Seite und eine Mulde zwischen diesen beiden Frequenzspitzen,,wo die optimale Stabilisierung stattfindet. Gemäß Fig. 5 verlaufen die Mulden der Kurven mit abnehmendem Wert für das Aufrichtvermögen K von links nach rechts. Beispielsweise' besitzen die Kurven 42, 43ι 44» 45 und 46 Mulden bei etwa 3» 6, 8, 10 bzw. 12 s. Der Wert des Aufrichtvermögens K für den Stabilisator gemäß Fig. 1 ist so gewählt, daß -g praktisch zwischen der hochfrequenten und der niederfrequenten Spitze des Verstärkungsfaktors als Funktion der Frequenz liegt, d.h. nahe der Mulde der betreffenden Frequenzgangkurve. Bei sich ändernder Frequenz f der Wellen wird das Aufrichtvermögen K so eingestellt, daß die Mulde der Frequenzgangkurve bei -| gehalten wird.

Fig. 2 veranschaulicht ein System zur automatischen Einstellung des Aufrichtvermögens K der hydraulischen Federn 18 und 19. Ein Rollfrequenzfühler 50 erzeugt ein elektrisches Signal, welches der Frequenz des ICrängungswinkels θ

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des Schiffs 1 um die Hollaohse 2 proportional ist» Dieser Sollfrequenzfühler 50 kann "beispielsweise aus einem kleinen Kreisel und einem Wandler zur Umwandlung der Iräzeasionsverschiebung des Kreisels in ein elektriseiles Signal bestehen= Der Ausgang des Rollfrequenzfühlers 50 ist über ein Amplituden-Quadriernetz 51 an eine Summienrergweigimg

52 angekoppelt,, an welcher das Ausgangs signal mit einem der tatsächlichen Auf richtcharakteristik der ledexn 18

und 19» welche anfänglich, so eingestellt ±st_g daß isr~ gleich Ip (2-ü f) ist ι proportionalen Signal für die augenblicklich herrschende Wellenfrequenz der Seegaagfoedingungen verglichen wird. Der Unterschied zwischen diesen Signalen 'wird an ein Hydraulikfeder-Bstätigungsglied 55 8-sigelegt, welches die Aufrichtcharakteristik bzw« -»Tesmclgeii der Pe= dem 18 und 19 ändert. Wenn die hydraulischen Eedern 18 und 19 "beispielsweise der vorher in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Art entsprechen» könnte das Betätigungsglied

53 ein Ventil sein,, das entweder mehr Öl zum Behälter zuläßt und gleichzeitig zwecks Erhöhung des JkafeLehtvermögens der hydraulischen Federn luft aus dem Behälter hinausdrängt oder öl aus dem Behälter abzieht und gleichzeitig zwecks Herabsetzung des Aufrichtvermögens Luft Ton einem Vorrat aus in den Behälter ansaugt. Ein lederkeBnimg-Fühler 54- erzeugt ein Ausgangs signal ₉ welches eiern tatsächlichen Auf rieht vermögen der ledern 13 und 19 proportional ist. Der Fühler 54 kann beispielsweise ein Maasen-purch» satzmesser sein₉ welcher die zu jedem vorgegebenen Zeitpunkt im Zylinder befindliche Luftmenge mißte Wemi das Betätigungsglied 53 die Auf rieht eigenschaftea der hydraulischen Federn 18 und 19 ändert ₉ ändert sick das Ausgangs-' signal des Fühlers 54 entsprechend» Zusammenfassend läßt sich daher sagen, daß die Aufrichtcharakt3si.stik bzw, -vermögen der Federn 18 und 19 is Afchäagigfesit von Inderun-

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gen der Wellenfrequenz des Seegangs geändert wird, um einen optimalen Verstärkungsfaktor aufrechtzuerhalten.

Die vorstehende Analyse beruht auf verschiedenen Voraussetzungen, die nicht in allen Fällen zuzutreffen "brauchen. Die erste Voraussetzung ist, daß die Winkelverlagerung 0 des Kardanrings 7 infolge von Präzession wesentlich kleiner "bleibt als 1. Tatsächlich werden der vierte Summand der Gleichung (1) und der vierte Summand der Gleichung (2) jeweils mit dem Faktor cos 0 multipliziert. Die dem cos 0 bei zunehmender Größe von 0 zuzuschreibende Abnahme des Präzession-Drehmoments wird in gewissem Ausmaß durch die Erhöhung des Präzession-Drehmoments aufgehoben, welche der Vergrößerung der Winkelgeschwindigkeit des Kardanrings 7, d.h. der Vergrößerung des Ausdrucks ß_t infolge einer Erhöhung von 0 zuzuschreiben ist. Demzufolge hat es sich gezeigt, daß der Stabilisator für Präzession-Winkel Verlagerungen von Ms su 45° wirksam ist, die nicht als wesentlich kleiner als 1 angesehen werden können. Daher muß bei infrage kommenden großen Winkelverlagerungen. 0 der cos 0 in den Gleichungen (1) und (2) berücksichtigt werden. Die zweite Voraussetzung ist, daß sich das einwirkende Drehmoment nach Art einer einfachen Harmonischen als Funktion der Zeit ändert. Diese Voraussetzung ist jedoch unter vielen Seegangsbedingungen nicht zutreffend. In solchen Fällen müssen die Gleichungen (1) und (2) für einen ruhenden bzw. statischen,wahllosen Seegangszustand gelöst werden, was sich empirisch durchführen läßt. Eine Analyse der Gleichungen (l) und (2) für große Winkelverlagerungen 0 sowie eine Analyse der Gleichungen (1) und (2) für einen statischen, wahllosen Seegangszustand mit graphischen Darstellungen des Kraft spektrums einer stabilisierten Schiffs-Rollbewegung bei unterschiedlichen Windgeschwin-

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digkeiten sind in einer Veröffentlichung unter dem Titel "A Tuned Gyro-Stabilizer for Offshore Drilling Vessels" "behandelt, die bei der Offshore Exploration Conferencein New Orleans, Louisiana/USA vom 14. - 16. Februar 1968 vorgelegt und in "Proceedings of QECON", 1968, veröffentlicht wurde. - - .

Heben der optimalen Stabilisierung gibt es noch eine andere Erwägung bei der Auswahl der Aufriehtcharakteristik K der Federn 18 und 19. Die Winkelverlagerung 0_$ welcher der Kardanring 7 infolge von Präzession unterworfen" ist _a ist proportional zur Kammhöhe der Seewellen. Da die maximale Winkelverlagerung 0₉ bis zu welcher der Stabilisator wirksam ist, 45° beträgt, besteht mithin auch eine entsprechende Wellenhöhe, die nicht überschritten werden sollte, wenn der Stabilisator wirksam bleiben soll. Bei rauher See ist es häufig wahrscheinlich, daß diese maximale Wellenhöhe bei den die optimale Stabilisierung gewährleistenden Wert eier Aufriciitcharakteristik K überschritten wird. Aus diesen G-rimd müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, um die Winkelverlagerung 0 infolge von Präzession zu. reduzieren. Dies läßt sich dadurch erreichen_r daß entweder das Winkelmoment JTi «Jas Rotors 13 um die Drehachse 17 vergrößert, oder die Auf rieht Charakteristik IC geändert -wird. Die erstgenannte Möglichkeit ist nicht sehr günstigi da sie eine Vergrößerung und/oder eine Drehzahlerhöhung des Rotors 13 erfordert, während die zuletzt genannte Möglichkeit deshalb zunächst unvorteilhaft erscheinen mag, weil sie einen Kompromiß bezüglich der Feder-Auf rieht charakteristik K zu verlangen scheint, welcher eine optimale Stabilisierung verhindern würde.

Gemäß einem bedeutsamen Merkmal der Erfindung wird jedoch

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diese zuletzt genannte Möglichkeit zur Verkleinerung der Winkelverlagerung 0 des Kardanrings 7 mittels einer nichtlinearen Aufrichtcharakteristik K ausgenutzt. Der Wert der Auf rieht charakteristik K für Winkelverlagerungen 0 nahe der Be zugs st ellung "bestimmt im wesentlichen das Ausmaß der erzielbaren Stabilisierung. Dies läßt sich aus einer Betrachtung des vierten Summanden in Gleichung (1) ersehen," welcher das das Schiff 1 stabilisierende Drehmoment darstellt. Dieses Drehmoment ist proportional zur Winkelgeschwindigkeit des Kardanrings 7, d.h. proportional dem Ausdruck $_f und "bei Schwingungsbewegungen tritt die maximale Winkelgeschwindigkeit $ in der Bezugsstellung auf. Zur Erhöhung dieser maximalen Winkelgeschwindigkeit jZf wird daher die Aufrichtcharakteristik K in der Nähe der Bezugsstellung verkleinert. Im Gegensatz zur Stabilisierung bestimmt die" Aufrichtcharakteristik K in der Nähe der Endpunkte des Winkelausschlags des Kardanrings 7 im wesentlichen die Winkelverlagerung 0, die im Verlauf der Stabilisierung auftritt. Dies ergibt sich aus der Überlegung, daß das zur Überwindung der Kraft der Federn 18 und 19 erforderliche Drehmoment mit zunehmender Winkelverlagerung 0 zunimmt. Zur Verkleinerung der Winkelverlagerung infolge von Präzession wird daher die Auf rieht charakteristik K in der Nähe der Endpunkte des Winkelausschlage des Kardanrings 7 erhöht. Mit anderen Worten ermöglicht eine nicht-lineare Aufrichtcharakteristik K, welche sich als Funktion der Winkelverlagerung aus der Bezugsstellung erhöht, eine optimale Stabilisierung ohne übermäßige Winkel-.Verlagerung 0 infolge von Präzession.

Pig. 6 ist eine graphische Darstellung des durch die hydraulischen Federn 18 und 19 bewirkten Aufriehtdrehmoments T als Funktion der Winkelverlagerung 0 des Kardan-

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rings 7 aus der Bezugs st ellung. Die Auf rieht charakteristik bzw. das Aufrichtvermögen K ist durch die Neigung der Kurve angedeutet. Eine Kurve 70 mit allmählich verlaufendem Anstieg als Punktion der Winkelverlagerung 0 stellt die ideale nicht-lineare Aufrichtcharakteristik K dar. In der Praxis wird diese Aufrichtcharakteristik K zweckmäßig durch überlagerung der Aufrichteharakteristiken zweier oder mehrerer linear wirkender Federn hervorgebracht, die bei unterschiedlichen Werten der Winkelverlagerung 0 wirksam werden. Die Kurve 70 läßt sich durch geradlinige Segmente 71» 72 und 73 annähern, welche bei verschiedenen Werten der Winkel Verlage rung 0 diskrete Änderungen der Aufrichtcharakteristik K hervorbringen. Hydraulische Federn, welche eine kombinierte Aufrieht— charakteristik K ähnlich der durch die Segmente 71 ? 72 und 73 angedeuteten gewährleisten, sind im Handel erhältlich. Der Wert der Auf richtcharakteristik K-, welche durch das Segment 71 dargestellt ist, wird so gewählt, daß er die optimale Stabilisierung gewährleistet. Für den Fall, daß die Voraussetzungen zutreffen, auf welchen die Ableitung der Gleichung (5) beruht, gilt folgende Gleichung?

I₂ (2 3Γ f)

x² .

Die durch-das Segment 73 dargestellte Auf rieht charakteristik K₂ wird durch die maximale Wellenhöhe bestimmt, welcher das Schiff voraussichtlich ausgesetzt sein wird. Mit anderen Worten ist die Ueigung des Segments 73 so groß, daß die auf Präzession beruhende Winkelverlagerung 0 bei der größten zu erwartenden Wellenhöhe 45° nicht überschreitet. Die Segmente 71 und 73 sind durch das

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Segment 72 miteinander verbunden, dessen Auf rieht Charakteristik Kj so gewählt ist, daß bei zunehmender Winkelver-.lagerung des Kardanrings 7 ein glatter bzw. gleichmäßiger Übergang zwischen den Segmenten 71 und 73 gewährleistet ist. Infolgedessen sind der Kardanring 7, die Traganordnung 6 sowie die zugeordneten Schwenkzapfen und Lager keinen starken Stößen unterworfen, während sich der Kardanring 7 über die diskreten Inderungspunkte der Aufrichtcharakteristik K verschweiget. In manchen Anwendungsfällen können die Segmente 71 und 73 unmittelbar miteinander verbunden sein₉ während es in anderen Fällen wünschenswert sein kann, mehr Zwischensegiaente mit unterschiedlichen Steigungen einzufügen, um den Übergang zwischen den Segmenten 71 und 73 weiter zu glätten.

Die Gleichungen (1) und (2) vernachlässigen die Auswirkung der Stampfbewegung des Schiffs 1 um die Querachse 3 infolge des Seegangs. Biese Stampfbewegung des Schiffs 1 verursacht zusätzlich zur Präsession infolge der Schiffs-Rollbewegung eine V'inkelverlagsziiiig der Kardananordnung um die Querachse ">· Der Stabilisator bewirkt mitiiin je nach der Stampfbewegung-eine Über- oder lihterkompensation der Rollbev/egiivig des Schiffs 1. In fig. 4 ist ein Schiff 60 dargestellte das zwei Kreiselstabil!satoren 61 und 62 mit parallel nur Querachse 5 des Schiffs 60 liegenden Kardanachsen 63 br;.?;. 64 aufweist.--Die Rotoren der Kreiselstabilisatoren 61 und 62 drehen sich gegenläufig. Das Schiff 60 ist einer Wialcelverlagerung 0p um die Querachse 3 unterworfen, welche den Kardanachsen der Kardananordnungen der Kreiselstabilisatoren 61 und 62 gleich große Winkelverlagerungen erteilt. Bei dieser Anordnung bewirkt mithin einer der Kreiselstabilisatoren eine Überkompensation der Rollbewegung des Schiffs und der andere Kreiselstabilisator eine

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Unterkompensation. Das Gesamtergebnis "besteht &arin₉ daß. die Auswirkung der St ampf bewegung des Schiffs bei Eollbewegung-Stabilisierung praktisch ausgeschaltet wird«

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Claims

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Patentansprüche

: 1. Vorrichtung zur Stabilisierung eines Körpers gegen schwingende Winkelverlagerung aus einer Bezugsstellung um eine erste Achse, gekennzeichnet durch einen Kardanring, eine Einrichtung zur drehbaren Lagerung des Kardanrings gegenüber dem Körper um eine praktisch senkrecht zur erstgenannten Achse liegende zweite Achse, einen, am Kardanring gelagerten und sich um eine dritte, zur zweitgenannten Achse nicht parallel liegende Achse drehenden Rotor und eine Einrichtung zur Anlegung eines Aufriehtdrehmoments um die zweitgenannte Achse an den Kardanring, das eine Funktion der WinkelVerlagerung des Kardanrings um die zweitgenannte Achse aus einer Winkelstellung ist, in welcher die dritte Achse praktisch senkrecht zur erstgenannten Achse steht, wobei das Verhältnis von Auf rieht drehmoment zu Winkelverlagerung des Kardanrings um die zweitgenannte Achse einen solchen Wert besitzt, daß die Frequenz der schwingenden Winkelverlagerung um die erstgenannte Achse praktisch zwischen einer hochfrequenten und einer niederfrequenten Spitze der Winkelverlagerung um die erstgenannte Achse als Funktion der Frequenz liegt,
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Aufriehtdrehmoment zu Winkelverlagerung des Kardanrings um die zweitgenannte Achse praktisch I₂ (2JTf)² beträgt, wobei I₂ das Irägheitsmoment der Kardananorönung um die zweitgenannte Achse und f die Frequenz der schwingenden Winkelverlagerung um die erstgenannte Achse bedeuten.

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3. Vorrichtung nach. Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet ₉ daß das Verhältnis von Auf rieht drehmoment zu Winkel-Verlagerung des Kardanrings um die zweit genannte Achse einstellbar ist und daß eine Einrichtung zur Messung von Änderungen der Frequenz der SGteriagenden Winkelverlagerung um die erstgenannte Achse sowie eine Einrichtung.zur Einstellung dieses Verhältnisses in Abhängigkeit von gemessenen Änderungen der Frequenz auf praktisch den Wert I₂ (2jTf) vorgesehen siad,
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, da.durch gekeasseieJbnet, daß das Verhältnis von Auf rieht drehmoment zu Winkelver*=· lagerung des Kardanrings uia die zweitgenamirfce Aeh.se bei kleinen Winkelverlagerungen den geasamtea Had bei größeren Winkelverlagerungen einen größeren als den genannten Wert besitzt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, •daß das Verhältnis von Aufrichtdrehmoment zn Winkelverlagerung des Kardanrings um die zweit genannte Achse einstellbar ist und daß eine Einrichtung zua Messen von Änderungen der Frequenz der schwingenden Winkelverlagerung um die erstgenannte Achse sowie eine Einrichtung zur Einstellung dieses Verhältnisses entsprechend den gemessenen Änderungen, der Frequenz auf einen zwischen einer hochfrequenten und einer niederfrequenten Spitze'der Winkelverlagerung als Funktion der Frequenz liegenden Wert vorgesehen sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Aufrichtdrehmoment zu Winkelverlagerung des Kardanrings um die zweitgenaante Achse einstellbar ist.

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7. Vorrichtung nach Anspruch. 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Anlegung eines Aufriehtdrehmoment s eine zwischen den Körper und den Kardanring eingeschaltete Feder ist, die eine einstellbare AufrichtcharaJrberistik bzw. Aufrichtvermögen "besitzt.
8. Vorrichtuu,-, nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder eine hydraulische Feder ist.
9. Vorrichtung zur Stabilisierung eines Körpers gegen eine Verdrillung um eine erste Achse, gekennzeichnet durch einen Kardanring, eine Einrichtung zur drehbarer Lagerung des BiarcLsnrings relativ aum Körper zwecks Drehung um eine praktisch, senkrecht zur erstgenannten Achse liegende zweite Achse_s einen am Kardanring gelagerten;, um eine dritte Achse drehbaren Rotor und eine Binriohtmig zur Anlegung eines Auf rieht drehmoment s um die zweitgenannte Achse an den Kardanring, wobei das Aufric-itdrehmoment sins Funktion der Winkelverlagerung de f. Kardanrings aus eiiasr Bezugsstellung um die sweitgenairate Achse ist und wobei das Verhältnis des Aufriciitdraiisionients zur TileOcelverschiebung des Kardanrings lua die zweitgenannte Achse einstellbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, da.£ die Einrichtung zur Anlegung eines AufrichtdrehmoEients eine zwischen den Kardanring und den Körper eingeschaltete Feder mit einstellbarer Aufriehtcharakteristik is ^.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Einstellung des Verhältnisses von Aufrichtdrehmoment zu Winkelverlagerung in Ab-

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hängigkeit von Änderungen der Frequenz-, mit welcher sich der Körper um die erstgenannte Achse verdreht» vorgesehen ist.
12. Torrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet ,-daß eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung des Verhältnisses von Aufrichtdrehmoment zu Winkelverlagerung des Kardanrings um die zweitgenannte Achse praktisch auf dem Wert I₂ (2#f)² vorgesehen ist, wobei f die Frequenz, mit welcher der Körper um die erstgenannte Achse schwingt, und I₁-, das Trägheitsmoment der■ Karääa·= anordnung, um die zweitgenannte Achse bei Änderung von f bedeuten. ■
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch, gekennzeichnet_s daß die Feder eine hydraulische Feder ist.
14· Torrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß eine Bremse zur Verringerung der Winkelgeschwindigkeit des Rotors vorgesehen ist.
15. Stabilisiervorrichtung, gekennzeichnet durch einen von außen einwirkenden S chwingungs drehmoment en um eine erste Achse und eine zweite, senkrecht zur erstgenannten Achse stehende Achse ausgesetzten Körper, einen Kreiselstabilisator mit einem sich drehenden Rotor," welcher den Körper gegen Winkelverlagerung um die erstgenannte Achse zu stabilisieren vermag, und einen zweiten Kreiselstabilisator mit einem sich drehenden Rotor zum Stabilisieren des Körpers gegen Winkelverlagerungen um die erstgenannte Achse, wobei sich der Rotor des zweitgenannten Kreiselstabilisators gegenüber dem Rotor des erstgenannten Kreiselstabilisators gegenläufig dreht.

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16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kreiselstabilisator einen Kardanring, eine Einrichtung zur Lagerung des Kardanrings zwecks Drehung gegenüber dem Körper um eine parallel zur zweit genannten Achse verlaufende Achse und eine Einrichtung zur lagerung des Rotors im Kardanring zwecks Drehung um eine dritte, nicht parallel zur zweitgenannten Achse verlaufende Achse aufweist.
17· Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch, gekennzeichnet, daß jeder Kreiselstabilisator eine Einrichtung zur Anlegung eines zur Winkelverschiebung des Kardanrings aus der Bezugsstellung um die zweitgenannte Achse praktisch proportionalen Auf ritt drehmoment s an den Kardanring zwecks Rückstellung der dritten Achse in eine praktisch senkrecht zur erstgenannten Achse stehende Bezugsstellung aufweist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Auf rieht drehmoment zu Winkelverlagerung einstellbar ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Auf rieht drehmoment zu Winkelverlagerung des Kardanrings um die erstgenannte Achse für jeden Kreiselstabilisator praktisch dem Wert I₂ (2 Tf)² entspricht, wobei f die Frequenz der Schwingungsdrehmomente um die erstgenannte Achse und Ig das Trägheitsmoment der Kardananordnung um die zweitgenannte Achse bedeuten.
20. Vorrichtung nach Anspruch 17* dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kreiselstabilisator mit Einrichtungen ver-

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sahen ist, welche bei einer Änderung der schwingenden Drehmomente um die erstgenannte Achse das Verhältnis von Aufrichtdrehmomsnt zu Winkelverlagerung einstellen.
21. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kreiselatabilisator Einrichtungen zur Aufrecht erhaltung des Verhältnisses von Aafrichtdrehmoment zu Winkelverlagerung gleich I₂ (2?f)² aufweist, wobei f die Frequenz der Sehwingungsdrehmomente um die erstgenannte Achse und I₂ das iOrägiieitsmoment der Kardananordnung um die zweitgenannte Achse bei Änderung von f bedeuten.
22. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeie]met₈ daß Einrichtungen zur Messung der BreMrequenz um die erstgenannte Achse und zur Einstellung des genannten Verhältnisses in Abhängigkeit von den gemessenen ]?requenzänderungen vorgesehen sind, um die Wirksamkeit .der Stabilisierung bei Änderung der Drenfrequenz um die erstgenannte Achse aufrechtzuerhalten.
23. Vorrichtung zur Stabilisierung eines Körpers gegen schwingende Winkelvers chie"bung aus einer Bezugs st ellung um eine erste Achse, gekennzeichnet durch einen Kardanring, eine Einrichtung zur Lagerung des Kardanrings zwecke Drehung relativ zum Körper um eine zweite₉ praktisch senkrecht zur erstgenannten Achse liegende Achse, einen im Kardanring gelagert&a und sich um eine nicht parallel zur zweitgenaimten A&kse verlaufende Achse drehenden Eotor und eine Einrichtung zur Anlegung eines Aufrichtdrehmoments um die zweitgenannte Achse an den kardanring, wobei sich das Aufzieht drehmoment als nicht-lineare Punktion der Winkelverschiebung des

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Kardanrings um die zweit genannte Achse aus der Winkelstellung ändert, in welcher die dritte Achse praktisch senkrecht zur erstgenannten Achse steht.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23» dadurch gekennzeichnet,

daß die Eiarichtung zur Anlegung eines Auf rieht drehmoment s eine Feder nit nicht-linearer Aufrichtcharakteristik ist.
25. Vorrichtung nach Ansprach 24-, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufrichtcharakteristik der Feder diskreten Änderungen unterworfen ist, zwischen welchen sie konstant ist, und daß die Auf rieht charakteristik "bei kleinen WinkelYerlagerungen des Kardanrings 13m die zweitgenannte Achse einen kleineren Wert besitzt als bei großen Winkelverlagerungen des Kardanria.gs um die zweit genannte Achse.
26. Vorrichtung nach Anspruch 23» dadurch gekennzeichnet, daß sich die Änderungsgeschwindigkeit des Aufrichtdrehmoments als Funktion der W±nkelverl&gerung des Kardanrings um die zweitgenannte Achse aus der Stellung erhöht, in welcher die dritte Achse praktisch senkrecht zur erstgenannten Achse steht.

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