DE1908266B2

DE1908266B2 - Vorrichtung zur Stabilisierung eines Körpers gegen eine Verdrehung bzw. schwingende Winkelverlagerung

Info

Publication number: DE1908266B2
Application number: DE1908266A
Authority: DE
Inventors: Samuel Nathan Glendale Calif. Fersht (V.St.A.)
Original assignee: SANTA FE INTERNATIONAL CORP SANTA FE SPRINGS; Tetra Tech Inc
Current assignee: SANTA FE INTERNATIONAL CORP SANTA FE SPRINGS; Tetra Tech Inc
Priority date: 1968-02-19
Filing date: 1969-02-19
Publication date: 1978-07-20
Also published as: NO124768B; DE1908266A1; US3576134A; DE1908266C3; GB1240052A; NL6900745A; SE357173B; FR2002136A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Stabilisieren eines Körpers gegen eine Verdrehung bzw.

J¹J schwingende Winkelverlagerung um eine erste Achse, mit einem Kardanring, einer Einrichtung zu seiner drehbaren Lagerung relativ zum Körper um eine zur ersten Achse im wesentlichen senkrecht liegende zweite Achse, einem am Kardanring gelagerten, um eine dritte Achse drehbaren Rotor und einer Einrichtung zur Anlegung eines Aufrichtdrehmoments um die zweite Achse an den Kardanring, wobei das Aufrichtdrehmoment eine Funktion der Winkelverlagerung des Kardanrings aus einer Bezugsstellung um die zweite Achse ist.

Wo es gilt, störende Verdrehungen eines nicht hinlänglich stabilen Körpers zu unterbinden, verwendet man bereits seit längerem einen Kreisel aufgrund dessen Tendenz, eine einmal eingenommene Achsrichtung

so beizubehalten. Derartige Körper können beispielsweise Schwimm- oder Flugkörper wie Schiffe, Torpedos, Raketen, Satelliten und dergleichen mehr sein. Man unterscheidet zwischen sogenannten passiven Kreisel-Stabilisatoren, bei denen die Kreiselachse mit einem starren Winkel an dem zu stabilisierenden Körper angelenkt ist, sogenannten aktiven Kreiselstabilisatoren, bei denen der Kreisel vollkardanisch aufgehängt ist und mit seinen unbehinderten Auslenkungen auf ein sekundäres Steuersystem einwirkt und einer sogenannten verbesserten passiven Kreiselstabilisierung, bei der der Kreisel halbkardanisch derart aufgehängt ist, daß eine Drehung des Körpers um seine Hauptdrehungsachse ein Moment auf die Kreiselachse ausübt, das eine Präzessionsbewegung des Kreisels verursacht. Dieser Bewegung wirkt man mit einem Rückstellmoment entgegen, das aufgrund des Kreiselverhaltens der Drehung des Körpers um seine Hauptdrehungsachse entgegenwirkt.

Ein besonders bevorzugtes Anwendungsgebiet für eine Kreiselstabilisierung der letztgenannten Art sind Schiffe, da wegen deren großer Masse eine passive Kreiselstabilisierung einen zu schwere Kreisel erfordern würde, und da eine aktive Kreiselstabilisierung zum wirksamen Steuern des Schiffes eine gewisse, verhältnismäßig hohe Mindestgeschwindigkeit voraussetzt, die das Stabilisieren beispielsweise eines schwojenden Schiffes bzw. eines nicht angetriebenen Schwimmkörpers unmöglich macht.

Es ist beispielsweise ein Kreiselstabilisator der gattungsgemäßen Art bekannt (GB-PS 5 49 893), bei dem ein den Kreisel tragender Kardanring zwischen Federn aufgehängt ist, die ein Aufrichtdrehmoment auf den Kardanring ausüben, wobei wegen der starr vorgewählten Federkennlinie das Aufrichtdrehmoment eine Funktion der Winkelverlagerung des Kardanrings bildet Um das Schwingungsverhalten des bekannten Stabilisators auf Erregungsschwingungen abzustimmen, sind einstellbare Drehenergiedämpfer am Kardanring angeschlossen. Es hat sich aber herausgestellt, daß die Einstellung des Dämpfungskoeffizienten nicht wirksam eine Anpassung des Stabilisators an unterschiedliche Erregungsfrequenzen erlaubt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die eingangs genannte Vorrichtung derart weiterzubilden, daß sie zum wirksamen Dämpfen von Erregungsschwingungen unterschiedlicher Frequenz geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verhältnis des Aufrichtdrehmoments zur Winkelverlagerung des Kardanrings um die zweite Achse in die Bezugsstellung dadurch einstellbar ist, daß eine Einrichtung eine Änderung der Winkelverlagerungsfrequenz aufspürt, daß eine Einrichtung das Verhältnis des Aufrichtdrehmoments zur Winkelverlagerung des Kardanrings um die zweite Achse einstellt und daß eine Einrichtung dieses Verhältnis derart steuert, daß die Frequenz der schwingenden Winkelverlagerung um die erste Achse in einem vorbestimmten Bereich liegt.

Es wird somit erfindungsgemäß ein Rückstell- bzw. Aufrichtmoment, das in einem vorbestimmten Verhältnis zur Winkelverschiebung der Kardanachse aus einer Bezugsstellung heraus steht, an den Kardanring eines Kreiselstabilisators angelegt; dieser Ring ist derart an einem zu stabilisierenden Körper gelagert, daß die Kardanachse senkrecht zur Stabilisierungsachse steht. Dabei ist das Verhältnis von Aufrichtmoment zu Winkelverschiebung des Kardanrings gegenüber der Frequenz des auf den Körper einwirkenden Schwingungsmornents 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 bei dem gattungsgemäßen Kreiselstabilisator möglich ist. Wenn die Frequenz des einwirkenden Drehmoments bei einfachen Harmonischen liegt bzw. sich einfachen Harmonischen annähen, entspricht das Verhältnis von Aufrichtmoment zu Winkelverschiebung praktisch h (2 f)², wobei f die Frequenz des einwirkenden Drehmoments und h das Trägheitsmoment der Kardananordnung um die Kardanachse herum bedeutet.

Das Rückstell- bzw. Aufrichtmoment wird mittels einer Vorrichtung mit einstellbaren Aufrichteigenschaften angelegt, wie einer hydraulischen Feder. Auf diese Weise kann das Verhältnis von Aufrichtmoment zu Winkelverschiebung bei Ändeiung 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

ίο Dämpfungskoeffizienten um die Kardanachse in dieser Hinsicht nicht wirkungsvoll ist.

Vorteilhafterweise wird die Frequenz des einwirkenden Drehmoments gemessen und wird die Aufrichtcharakteristik automatisch in Abhängigkeit von Änderungen der gemessenen Frequenz eingestellt. Zur Reduzierung der Winkelverschiebung des Kardanrings infolge von Präzession ohne Beeinträchtigung der Stabilisierung wird eine nichtlineare Aufrichtcharakteristik angewandt, d. h. eine Aufrichtcharakteristik, die sich als Funktion der Winkelverschiebung des KreiseJs ändert. Genauer gesagt, erhöht sich die Aufrichtcharakteristik mit zunehmender Winkelverschiebung des Kardanrings aus der Bezugsstellung. 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 Aufrichtcharakteristik in der Nähe der Enden des Winkelausschlags des Kardanrings bestimmt. Zwischen diesen beiden Werten ist der Wert

jo 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 parallen 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 zeigt

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

F i g. 2 ein Blockschaltbild eines Steuersystems zur automatischen Einstellung der Aufrichtcharakteristik der hydraulischen Federn gemäß Fig. 1,

F i g. 3 eine Vorderansicht eines auf See befindlichen Schiffs,

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

F i g. 5 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung typischer Frequenzgangkurven für unterschiedliche Feder-Aufrichtcharakteristiken und

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

Die Erfindung eignet sich speziell zur Stabilisierung eines auf See befindlichen Schiffs gegen durch Welleneinwirkung hervorgerufene Rollbewegungen um die Schiff-Längsachse. 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, welche 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 1 schwingenden Drehmomenten unterworfen, die um die Längsachse 2, d. h. um die Rollachse des Schiffs I₁ am stärksten zutage treten. In F i g. 3 ist das Schiff 1 mit einem Krängungswinkel Θ aus seiner aufrechten Lage dargestellt, während die freie Wasseroberfläche am Schiff 1 einen Neigungswinkel α gegenüber der Waagerechten besitzt. Ohne Stabilisierung könnte das

Verhältnis 77 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 Null. Wenn dieses Verhältnis Null betragen würde, würde das Schiff 1 unabhängig von der Neigung der Wellen in perfekt waagerechter Lage verbleiben.

In Fig. 1 ist ein Kreiselstabilisator dargestellt, der eine am Schiff 1 (Fig.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 Welle 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 Einrichtung 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 nichtparallele 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 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 Winkelvcrschiebung 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 Rückslcll- bzw. Aufrichtcharaktcristik der Federn 18 und 19 hiingt 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.

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 14 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 F i g. 1 um die Querachse 3 genügen den Gleichungen

/, (-) + C₁H + Wh(-) + J V. Φ = Wh„ U) (1)

bzw.

I₂ Φ + C₂ Φ + Kf Φ -JiI <-) = 0.

Hierin bedeuten:

/ι = das Trägheitsmoment des Schiffs um die Rollachse 2,

C\ = den Dämpfungskoeffizienten des Schiffs um die

Rollachse 2,

W = das Schiffsgewicht,
h = die metazentrische Höhe des Schiffs,
/ = das Trägheitsmoment des Rotors 13

und der Welle 14 um die Achse 17,
Ω = die Winkelgeschwindigkeit der Drehung des

Rotors 13,

/2 = das Trägheitsmoment der Kardananordnung (Kardanring 7, Rotor 13, Schwenkzapfen 9 und

10 sowie Welle 14) um die Querachse 3,
C2 - den Dämpfungskoeffizienten der Kardananordnung um die Querachse 3,

K = das Rückstell- bzw. Aufrichtvermögen (Federsn konstante) der Federn 18 und 19,

/ = 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,
Φ = die Winkelverlagerung des Kardanrings 7 um

die Querachse 3 aus der Bezugsstellung,
Oi(I) — die Neigung der freien See-Oberfläche am Schiff 1 als Funktion der Zeit;

bo die Doppelpunkte über Θ und Φ stellen die zweite Ableitung nach der Zeit dar und

die Einfachpunkte über Θ und Φ bedeuten die erste Ableitung nach der Zeit.
Die vorstehenden Gleichungen vernachlässigen die

hi Stampfbewegung des Schiffs um die Querachse 3 und setzen voraus, daß die Werte der Winkelverlagcrungcn Φ und θ praktisch kleiner als 1 bleiben und daß die Schiffsbreite kleiner ist als die halbe Wellenlänge des

Seegangs. In Gleichung (1) bedeuten, von links nach rechts gelesen, der erste Summand die Trägheit des Schiffs 1 um die Längsachse 2, der zweite Summand die Dämpfung des Schiffs um die Längsachse 2, der dritte Summand das Aufrichtmoment, welches das Schiff zur Rückkehr in die waagerechte Lage zwingt, der vierte Summand das Präzession-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 Präzes-

IO

15

sion-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 <xo ändert und sich der Krängungswinkel Θ des Schiffs um die Längsachse 2 sinusförmig als Funktion der Zeit mit einer maximalen Winkelverlagerung von θο ändert, während sich die Winkelverlagerung Φ des Kardanrings 7 um die Querachse 3 sinusförmig als Funktion der Zeit mit einem maximalen Ausschlag von Φο ändert, ergeben die Gleichungen (1) und (2) das folgende Verhältnis als Funktion der Frequenz f des Seegangs, d. h. der Funktion des einwirkenden Drehmoments:

_ J

[w² — \v²)(u-² — u-²) — pqil

l²w²

u| - u· ²)² + 4 H₂ vv²

— 4ii,h₂u·²]² + 4m·²[Η, (»v| — M¹

M-² Λ,, (3)

lt()v² - U-²Xu-² - u-²) - pqii²w² - 4i/,!i₂M·²]² + - w²) +

~WT ^H1

deren Ausdrücke folgende Bedeutung haben:
Wh

u·² =

Kl² I₂

lh =

P =

2 /,

w = 2.7./

Die Aufgabe eines Schiff-Stabilisators, ausgedrückt durch Gleichung (3), besteht darin, den Wert |0_O| möglichst klein zu machen. Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird der Wert |θο| sehr klein, wenn W₂ ² gleich iv² 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, welches dem Ausdruck KP entspricht, gleich I₂ (2nf)⁷ gemacht. In diesem Fall läßt sich der Verstärkungsfaktor des Schiffs und des Stabilisators wie folgt ausdrucken:

2 „_: w²

I U-²I pq U² -I 4 II, II;)²+ 4 II² (H? U^J)] .,

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 ² 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 Paramters als W₂ ² (einschließlich des Dämpfungskoeffizienten C₂) könnte der optimale Verstärkungsfaktor gernäß Gleichung (5) bei sich ändernder Wellenfrequenz nicht eingehalten werden.

Fig.5 ist eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung des Verstärkungsfaktors als Funktion des

Reziprokwerts y der Wellenfrequenz, d. h. der Schwingungsperiode der Wellen, für ein Feder-Aufrichtvermögen bei verschiedenen diskreten Werten. Diese Frequenzgangkurven beiruhen 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 Null und Unendlich dar. Die Kurven 42 bis 46 besitzen jeweils eine hochfrequente Spitze an der linken Seite, eine niederfrequente Spitze an der rechten Seite

ho und eine Mulde zwischen diesen beiden Frequenzspilzen, wo die optimale Stabilisierung stattfindet. Gemäß F i g. 5 verlaufen die Mulden der Kurven mit abnehmendem Wert für das Aufrichtvermögen K von links nach rechts. Beispielsweise besitzen die Kurven 42,43,44,45

h5 und 46 Mulden bei etwa 3, 6, 8, 10 bzw. 12 s. Der Wert (5) des Aufrichtvermögens K für den Stabilisator gemäß

Fig. I isl so gewühlt, daß _/ 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 /"der Wellen wird das Aufrichtvermögen K so eingestellt, daß die Mulde ·-,

der Frequenzgangkurve bei -γ gehalten wird.

F i g. 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 Krängungswinkels θ des Schiffs 1 um die Rollachse 2 proportional ist. Dieser Rollfrequenzfühler 50 kann beispielsweise aus einem kleinen Kreisel und einem Wandler zur Umwandlung der Präzessionsverschiebung des Kreisels in ein elektrisches Signal bestehen. Der Ausgang des Rollfrequenzfühlers 50 ist über ein Amplituden-Quadriernetz 51 an eine Summierverzweigung 52 angekoppelt, an welcher das Ausgangssignal mit einem der tatsächlichen Aufrichtcharakteristik der Federn 18 und 19, welche anfänglich so eingestellt ist, daß W2² gleich h (2πί)² ist, proportionalen Signal für die augenblicklich herrschende Wellenfrequenz der Seegangbedingungen verglichen wird. Der Unterschied zwischen diesen Signalen, wird an ein Hydraulikfeder-Betätigungsglied 53 angelegt, welches die Aufrichtcharakteristik bzw. -vermögen der Feder 18 und 19 ändert. Wenn die hydraulischen Federn 18 und 19 beispielsweise der vorher in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Art entsprechen, könnte das Betätigungsglied 53 ein jo Ventil sein, das entweder mehr öl zum Behälter zuläßt und gleichzeitig zwecks Erhöhung des Aufrichtvermögens der hydraulischen Federn Luft aus dem Behälter hinausdrängt oder Öl aus dem Behälter abzieht und gleichzeitig zwecks Herabsetzung des Aufrichtvermö- J5 gens Luft von einem Vorrat aus in den Behälter ansaugt. Ein Federkennungs-Fühler 54 erzeugt ein Ausgangssignal, welches dem tatsächlichen Aufrichtvermögen der Federn 18 und 19 proportional ist. Der Fühler 54 kann beispielsweise ein Massen-Durchsatzmesser sein, weleher die zu jedem vorgegebenen Zeitpunkt im Zylinder befindliche Luftmenge mißt. Wenn das Betätigungsglied 53 die Aufrichteigenschaften der hydraulischen Federn 18 und 19 ändert, ändert sich das Ausgangssignal des Fühlers 54 entsprechend. Zusammenfassend läßt sich daher sagen, daß die Aufrichtcharakteristik bzw. -vermögen der Federn 18 und 19 in Abhängigkeit von Änderungen der Wellenfrequenz des Seegangs geändert wird, um einen optimalen Verstärkungsfaktor aufrechtzuerhalten. so

Die vorstehende Analyse beruht auf verschiedenen Voraussetzungen, die nicht in allen Fällen zuzutreffen brauchen. Die erste Voraussetzung ist, daß die Winkelverlagerung Φ 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 Φ multipliziert. Die dem cos Φ bei zunehmender Größe von Φ zuzuschreibende; Abnahme des Präzession-Drehmoments wird in gewissem Ausmaß eo durch die Erhöhung des Präzession-Drehmoments aufgehoben, welche der Vergrößerung der Winkelgeschwindigkeit des Kardanrings 7, d. h. der Vergrößerung des Ausdrucks Φ, infolge einer Erhöhung von Φ zuzuschreiben ist. Demzufolge hat es sich gezeigt, daß es der Stabilisator für Präzession-Winkelverlagerungen von bis zu 45° wirksam ist, die nicht als wesentlich kleiner als I angesehen werden können. Daher muß bei in Frage kommenden großen Winkelverlagerungen Φ der cos Φ 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 (1) und (2) für große Winkelverlagerungen Φ sowie eine Analyse der Gleichungen (1) und (2) für einen statischen, wahllosen Seegangszustand mit graphischen Darstellungen des Kraftspektrums einer stabilisierten Schiffs-Rollbewegung bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten sind in einer Veröffentlichung unter dem Titel »A Tuned Gyro-Stabilizer for Offshore Drilling Vessels« behandelt, die bei der Offshore Exploration Conference in New Orleans, Louisiana/USA vom 14.—16. Februar 1968 vorgelegt und in »Proceedings of OECON«, 1968, veröffentlicht wurde.

Neben der optimalen Stabilisierung gibt es noch eine andere Erwägung bei der Auswahl der Aufrichtcharakteristik K der Federn 18 und 19. Die Winkelverlagerung Φ, welcher der Kardanring 7 infolge von Präzession unterworfen ist, ist proportional zur Kammhöhe der Seewellen. Da die maximale Winkelverlagerung Φ, 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 dem die optimale Stabilisierung gewährleistenden Wert der Aufrichtcharakteristik K überschritten wird. Aus diesem Grund müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, um die Winkelverlagerung Φ infolge von Präzession zu reduzieren. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß entweder das Winkelmoment 7Ω des Rotors 13 um die Drehachse 17 vergrößert oder die Aufrichtcharakteristik K geändert wird. Die erstgenannte Möglichkeit ist nicht sehr günstig, 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-Aufrichtcharakteristik K zu verlangen scheint, welcher eine optimale Stabilisierung verhindern würde.

Gemäß einem bedeutsamen Merkmal der Erfindung wird jedoch diese zuletzt genannte Möglichkeit zur Verkleinerung der Winkelverlagerung Φ des Kardanrings 7 mittels einer nichtlinearen Aufrichtcharakteristik K ausgenutzt. Der Wert der Aufrichtcharakteristik K für Winkelverlagerungen Φ nahe der Bezugsstellung 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 Φ, und bei Schwingungsbewegungen tritt die maximale Winkelgeschwindigkeit Φ in der Bezugsstellung auf. Zur Erhöhung dieser maximalen Winkelgeschwindigkeit Φ 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 Wimkelnusschiags des Kardanrings 7 im wesentlichen

die Winkelverlagerung Φ, 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 Φ zunimmt. Zur Verkleinerung der Winkelverlagerung Φ infolge von Präzession wird daher die Aufrichtcharakteristik K in der Nähe der Endpunkte des Winkelausschlags des Kardanrings 7 erhöht. Mit anderen Worten ermöglicht eine nichtlineare Aufrichtcharakteristik K, welche sich als Funktion der Winkelverlagerung aus der Bezugsstellung erhöht, eine optimale Stabilisierung ohne übermäßige Winkelverlagerung Φ infolge von Präzession.

Fig.6 ist eine graphische Darstellung des durch die hydraulischen Federn 18 und 19 bewirkten Aufrichtdrehmoment Tals Funktion der Winkelverlagerung Φ des Kardanrings 7 aus der Bezugsstellung. Die Aufrichtcharakteristik bzw. das Aufrichtvermögen K ist durch die Neigung der Kurve angedeutet. Eine Kurve 70 mit allmählich verlaufendem Anstieg als Funktion der Winkelverlagerung Φ stellt die ideale nichtlineare Aufrichtcharakteristik K dar. In der Praxis wird diese Aufrichtcharakteristik K zweckmäßig durch Überlagerung der Aufrichtcharakteristiken zweier oder mehrerer linear wirkender Federn hervorgebracht, die bei unterschiedlichen Werten der Winkelverlagerung Φ wirksam werden. Die Kurve 70 läßt sich durch geradlinige Segmente 71, 72 und 73 annähern, welche bei verschiedenen Werten der Winkelverlagerung Φ diskrete Änderungen der Aufrichtcharakteristik K hervorbringen. Hydraulische Federn, welche eine kombinierte Aufrichtcharakteristik K ähnlich der durch die Segmente 71,72 und 73 angedeuteten gewährleisten, sind im Handel erhältlich. Der Wert der Aufrichtcharakteristik 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:

_k. _ Ii (2 .τ /)

Die durch das Segment 73 dargestellte Aufrichtcharakteristik K₂ wird durch die maximale Wellenhöhe bestimmt, welcher das Schiff voraussichtlich ausgesetzt sein wird. Mit anderen Worten ist die Neigung des Segments 73 so groli, daß d'"=· auf Prä^cssion beruhende Winkelverlagerung Φ bei der größten zu erwartenden j Wellenhöhe 45° nicht überschreitet. Die Segmente 71 und 73 sind durch das Segment 72 miteinander verbunden, dessen Aufrichtcharakteristik Ki so gewählt ist, daß bei zunehmender Winkelverlagerung des Kardanrings 7 ein glatter bzw. gleichmäßiger Übergang

K) zwischen den Segmenten 71 und 73 gewährleistet ist. Infolgedessen sind der Kardanring 7, die Traganordnung 6 sowie die zugeordneten Schwenkzapfen und Lager keinen starken Stoßen unterworfen, während sich der Kardanring 7 über die diskreten Änderungspunkte der Aufrichtcharakteristik K verschwenkt. In manchen Anwendungsfällen können die Segmente 71 und 73 unmittelbar miteinander verbunden sein, während es in anderen Fällen wünschenswert sein kann, mehr Zwischensegmente 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. Diese Stampfbewegung des Schiffs 1 verursacht zusätzlich zur Präzession infolge der Schiffs-Rollbewegung eine Winkelverlagerung der Kardananordnung um die Querachse 3. Der Stabilisator bewirkt mithin je nach der Stampfbewegung eine Über- oder Unterkompensation der Rollbe-

iü wegung des Schiffs 1. In Fig.4 ist ein Schiff 60 dargestellt, das zwei Kreiselstabilisatoren 61 und 62 mit parallel zur Querachse 3 des Schiffs 60 liegenden Kardanachsen 63 bzw. 64 aufweist. Die Rotoren der Kreiselstabilisatoren 61 und 62 drehen sich gegenläufig.

Jj Das Schiff 60 ist einer Winkelverlagerung Φρ 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 Unterkompensation. Das Gesamtergebnis besteht darin, daß die Auswirkung der Stampfbewegung des Schiffs bei Rollbewegung-Stabilisierung praktisch ausgeschaltetwird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Stabilisierung eines Körpers gegen eine Verdrehung bzw. schwingende Winkelverlagerung um eine erste Achse, mit einem Kardanring, einer Einrichtung zu seiner drehbaren Lagerung relativ zum Körper um'eine zur ersten Achse im wesentlichen senkrecht liegende zweite Achse, einem am Kardanring gelagerten, um eine dritte Achse drehbaren Motor und einer Einrichtung zur Anlegung eines Aufrichtdrehmoments um die zweite Achse an den Kardanring, wobei das Aufrichtdrehmoment eine Funktion der Winkelverlagerung des Kardanrings aus einer Bezugsstellung um die zweite Achse ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Aufrichtdrehmoments zur Winkelverlagerung des Kardanrings (7) um die zweite Achse (3) in die Bezugsstellung dadurch einstellbar ist, daß eine Einrichtung (50) eine Änderung der Winkelverlagerungsfrequenz aufspürt, daß eine Einrichtung (53) das Verhältnis des Aufrichtdrehmoments zur Winkelverlagerung des Kardanrings um die zweite Achse einstellt und daß eine Einrichtung (54) dieses Verhältnis derart steuert, daß die Frequenz der schwingenden Winkelverlagerung um die erste Achse in einem vorbestimmten Bereich liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich im wesentlichen zwischen einem hochfrequenten und einem niederfrequenten Höchstwert der Winkelverlagerung um die erste Achse als Funktion der Frequenz liegt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Aufrichtdrehmoments zur Winkelverlagerung des Kardanrings (7) um die zweite Achse (3) proportional ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekernzeichnet, daß das Verhältnis des Aufrichtdrehmoments zur Winkelverlagerung des Kardanrings (7) um die zweite Achse (3) einer nichtlinearen Funktion folgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Aufrichtdrehmoments zur Winkelverlagerung des Kardanrings (7) um die zweite Achse (3) im wesentlichen I₂ (2πί)² beträgt, wobei h das Trägheitsmoment der Kardananordnung um die zweite Achse und /die Frequenz der schwingenden Winkelverlagerung um die erste Achse (2) bedeuten.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Aufrichtdrehmoments zur Winkelverlagerung des Kardanrings (7) um die zweite Achse (3) selbsttätig auf Veranlassung durch eine selbsttätig wirkende Einrichtung (50) zum Aufspüren von Änderungen der Frequenz der schwingenden Winkelverlagerung um die erste Achse (2) eingestellt wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Aufrichtdrehmoments zur Winkelverlagerung des Kardanrings (7) um die zweite Achse (3) bei kleinen Winkelverlagerungen den Wert h (2πί)² und bei größeren Winkelverlagerungen einen größeren als den genannten Wert besitzt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (18,19) zur Anlegung eines Aufrichtdrehmoments eine zwischen den Körper (1) und den Kardanring (7) eingeschaltete Feder ist, die eine einstellbare Aufrichlcharakteristik bzw. Auvrichtvermögen be- -) sitzt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder eine hydraulische Feder (18, 19) ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch in gekennzeichnet, daß die Aufrichtcharakteristik der

Feder (18, 19) diskreten Änderungen unterworfen ist, zwischen welchen sie konstant ist, wobei die Aufrichtcharakteristik bei kleinen Winkelverlagerungen des Kardanrings (7) um die zweite Achse (3) i) einen kleineren Wert besitzt als bei großen Wiiikelverlagerungen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Änderungsgeschwindigkeit des Aufrichtdrehmoments als Funktion der Winkelverlagerung des Kardanrings um die zweite Achse (3) aus der Stellung erhöht, in der die dritte Achse (17) praktisch senkrecht zur ersten Achse (2) steht.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ihr eine zweite, gleichartige Vorrichtung zugeordnet ist, deren Rotor (1.3) gegenläufig drehend zu dem der ersten Vorrichtung angeordnet ist.