DE1908266C3

DE1908266C3 - Vorrichtung zur Stabilisierung eines Körpers gegen eine Verdrehung bzw. schwingende Winkelverlagerung

Info

Publication number: DE1908266C3
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: 1979-03-29
Also published as: US3576134A; NL6900745A; DE1908266B2; NO124768B; DE1908266A1; FR2002136A1; SE357173B; GB1240052A

Description

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

r> schwingende Winkelverlagerung um eine erste Achse, mit einem Kardanring, einer Einrichtung zu seiner drehbaren Lagerung relativ zürn Körper um eine zur ersten Achse im wesentlichen senkrecht liegende zweite Achse, einem am Kardanring gelagrnen, um eine dritte

•m 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 Bezugssteilung um die /weite

4» 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

'μ beizubehalten. Derartige Körper können beispielsweise Schwimm- oder Flugkörper wie Schiffe. Torpedos, Raketen, Satelliten und dergleichen mehr sein. Man unterscheidet zwischen sogenannten passiven Kreisclstabilisatoren. bei denen die Kreiselachsc mit einem

*fi starren Winkel an dem zu slabilisicrenden 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 sogenann-

bo ten 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 Rückstellmornertt 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 ι 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 DrehenergiedämDfer am Kardanring angeschlossen. Es hat sich aber herausgestellt, daß die Einstellung des Dämpfungskoeffizienten nic^-ί 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 jo 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 Winkelverla- r> gerung 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 lieg".

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 un 4Ί einem /u stabilisierenden Körper gelagert, daß die Kardanachse senkrecht /ur Stabilisierungsachse steht. Dabei ist das Verhältnis von Aufrichtmoment zu Winkelverschicbung des Kardanrings gegenüber der Frequenz des auf den i'örper einwirkenden Schwin- ->o gungsmoments so gewählt, daß diese Frequenz praktisch 'wischen den Spitzen der Winkelverschiebung des Körpers um die .Stabilisierungsachse als Funktion der Frequenz des einwirkenden Drehmoments liegt. Infolgedessen kann cmc wesentlich wirksamere >s Stabilisierung gewährleistet werden als dies bei dem gattungspemä°-en Kreiselstabilisator möglich ist. Wenn die Frequenz des einwirkenden Drehmoments bei einfachen Harmonischen liegt bzw. sich einfachen Harmonischen annähert, entspricht das Verhältnis von Aufrichtmoment zu Wmkclverschiebung praktisch h (2f)², wobei f die Frequenz des einwirkenden Drehmoments und /2 das Trägheitsmoment der Kardan-•nordnung um die Kardanachse herum bedeutet.

Das Rückstell- bzw. Aufrichlmoment wird mittels einer Vorrichtung mit einstellbaren Aufrichteigenschaflen angelegt, wie einer hydraulischen Feder. Auf diese Weise kann das Verhältnis von Aufrichtmoment zu Winkelverschiebung bei Änderung der Frequenz des einwirkenden Drehmoments verstellt wertfen. 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 einKreiselstabilisator 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 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 tf", Kreisels ändert. Genauer gesagt, erhöht sich die Auinebtcharakterisük mit zunehmender Winkelverschiebung des Kardanrings aus der Bezugsstellung. Die Auswahl des Werts der Aufrichteigenschaft in der Nähe der Bezugss.ellung 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 Kardanring·, bestimmt. Zwischen diesen beiden We^rten 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 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 Sta^ilisierungswirkung 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 .läher er rauten. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kreiselstabilisatnrs mit einstellbaren hydraulischen Federn.

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

Fif. 3 eine Vorderansicht eines auf See befindlichen Schiiis.

ί i g. 4 eine Seitenansicht eines auf See befindlichen Schiffs mit zwei identischen Kreiselstabilisatorcn,

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

F i g. 6 eine graphische Darstellung idealer und tatsächlich nichtlinerarer Feder^Äuf rieh !Charakteristiken.

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 Rolibewegungen beschrieben, doch sind

die Erfindungsprinzipien gleichermaßen auf jede Arl 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 Hoehachse 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 1, 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 ^ bis zu 50 :1 oder 100 : I 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

IO

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 Tragan- 25 Ordnung 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, hin Rotor jo 13 ist auf einer Welle 14 montiert, die ihrerseits drehbar in in einander gegenüberliegenden Seiten des Kardan- Hierin bedeuten: rings 7 vorgesehenen Lagern 15 und 16 gelagert ist. Der Rotor 13 ist mit einer nicht dargestellten herkömmli- /i = chen. elektrischen oder pneumatischen Einrichtung J5 versehen, weiche ihn um eine Drehachse 17 in Drehung G = versetzt. Vorzugsweise steht die Drehachse 17 senkrecht zur Querachse 3, doch kann sie theoretisch durch W = jede beliebige, gegenüber der Querachse 3 nichtparalle- h = Ie Achse gebildet werden. Zwischen den Körper des ao J — Schiffs 1 und den Kardanring 7 sind zu beiden Seiten der Querachse 3 herkömmliche hydraulische Federn 18 und Ω = 19 eingefügt, welche eine Kraft ausüben, wenn sie in irgend einer Richtung aus ihrem Ruhezustand verlagert h = werden, wobei diese Kraft der Verlagerung unmittelbar 45 proportional ist. Die Federn 18 und 19 werden anfänglich so eingestellt, daß sie sich in ihrem Cj = Ruhezustand befinden, wenn der Kardanring 7 eine Bezugsstellung um die Querachse 3 gegenüber dem K — Schiff 1 einnimmt, und zwar vorzugsweise die Stellung. 50 in welcher die Drehachse 17 senkrecht zur Längsachse 2 / = steht. In diesem F»H wird an den Kardanring 7 kein Drehmoment angelegt. Jedesmal, wenn der Kardanring Θ = 7 einer Winkelverschiebung aus der Bezugsstellung um die Querachse 3 unterworfen wird, üben die Federn 18 55 Φ = und 19 in die en'gegengesetzte Richtung wirkende Kräfte auf den Kardanring 7 aus. Infolgedessen wird auf oc(t) = den Kardanring 7 eine Rückstell- bzw. Aufrichtkraft ausgeübt, die bei kleinen Winkelverschiebungen eine lineare, d.h. proportionale Funktion der Winkelver- 60 Schiebung 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 es und Öl unter Trennung durch eine bewegbare Membran gefülli- Die Rückstell- bzw. Aufrichtcharakieristik asx 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 Aüfrichlvcfmögeri. 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 Präzcssiori 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 Bezugsslellung 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 Schiff¹·

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

Λ M f C_x <-> + HIK-) + JU'/' -= H7i.fi/)

/,'Λ + (',»/' + KF Φ JLK-) = 0.

das Trägheitsmoment des Schiffs um die Rollachse 2,

den Dämpfungskoeffizienten des Schiffs um die Rollachse 2.
das Schiffsgewicht,
die metazentrische Höhe des Schiffs,
das Trägheitsmoment des Rotors 13
Und der Welle 14 um die Achse 17,
die Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Rotors 13,

das Trägheitsmoment der Kardananordnung (Kardanring 7, Rotor 13, Schwenkzapfen 9 und 10 sowie Welle 14) um die Querachse 3,
den Dämpfungskoeffizienten der Kardananordnung um die Querachse 3,
das Rückstell- bzw. Aufrichtvermögen (Federkonstante) der Federn 18 und 19,
der Abstand zwischen den Berührungspunkten der Federn 18 und 19 mit dem Kardanring 7,
den Krängungswinkel des Schiffs 1 um die Längsachse 2 aus seiner waagerechten Lage,
die Winkelverlagerung des Kardanrings 7 um die Querachse 3 aus der Bezugsstellung,
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 θ und Φ bedeuten die erste Ableitung nach der Zeit

Die vorstehenden Gleichungen vernachlässigen die Stampfbewegung des Schiffs um die Querachse 3 und setzen voraus, daß die Werte der Winkelverlagerungen Φ und 9 praktisch kleiner als ! bleiben uv.d daß die Schiffsbreite kleiner ist als die halbe Wellenlänge des

Seegangs. In Gleichung (I) bedeuten, von finks 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 Auffichtmoment* 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 ih Gleichung (2), üÜenfalls 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 der! 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 a(t) der See am Schiff 1 sinusförmig als Funktion der Zeil mit einer maximalen Neigung Von Ko ändert und sich der Krängungswinkel Θ des Schiffs um die Längsachse 2 sinusförmig als Funktion der Zeit mit einer maximalen Winkelverlage^ rung von Θο ändert, während sich die Winkelverlagerung Φ des Kardänrings 7 um die Querachse 3 sinusförmig als Funktion der Zeit mit einem maximalen Ausschlag von <Pq ändert, ergeben die Gleichungen (I) und (2) das folgende Verhältnis als Funktion der Frequenz f des Seegangs, d. h. der Funktion des einwirkenden Drehmoments:

(U-j - WJ* -f- 4IJ₂W

[W²- W~²

) - /H/U²\V² - 41I₁II₂H'²]² +

i/iiVVH'f \f|

l[(u·² - »rj

- u·²) - PqLi²W² - 4n, ι/,η·²]² +

- Η'²)]⁵

-«ο

, (h·² - n·²) + »₂(n·² - n·²)]

deren Ausdrücke folgende Bedeutung haben:

Uf =	-/,
	Kl² I₂
»I =	I C, 2 77
»2 = P =	1 C₂ 2 I₂ J
V-	J h

H- = 2.t/

Die Aufgabe eines Schiff-Stabilisators, ausgedrückt durch Gleichung (3), besieht darin, den Wert |Θ₀| möglichst klein zu machen. Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird der Wert |Ö₀| sehr klein, wenn (V₂ ² gleich tv² 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 h (2^0⁷ gemacht. In diesem Fall läßt sich der Verstärkungsfaktor des Schiffs und des Stabilisators wie folgt ausdrucken:

[u- ipqii² + 4 κ, H₂)² + 4 in (uf - η·²)] ~

Herkömmliche Schiff- und Stabilisator-Parameter besitzen solche Werte, daß der Zähler der Gleichung (5) über den ganzen Bereich von Frequenzen, wie sie

¹So 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 iv₂ 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 gemäß 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 Freauenzgangkurven 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 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 und eine Mulde zwischen diesen beiden Frequenzspitzen, 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 und 46 Mulden bei etwa 3, 6, 8, 10 bzw. 12 s. Der Wert (5) des AufrichiverrnögenS K für den Stabilisator gemäß

Fig. I ist so gewählt, daß ,praktisch zwischen der

50

55

60

65

hochfrequenten und der niederfrequenten Spitze des Verstärkungsfaktors als Funktion der Frequenz liegt, d. h. nahe der Mulde der betreffenden Frequehzgangkurve. Bei sich ändernder Freque '. /"der Wellen wird das Aufrichtvermögen K so eingestellt, daß die Mulde

der Frequenzgangkurve bei ,. gehalten wird.

F i g. 2 veranschaulicht ein System zur automatischen Einstellung de j Aufrichtvermögens K der hydraulischen Federn 18 und 19. Ein Rollfrequenzfühler 50 erzeugt ein elektrisches Signal, welches der Frequenz des Krän-(tlingswihkels 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 !Τΐίί einem der tsisacnücr.cr! AüiricntcnaraKicnsiiiv eier 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 Aufrichlcharakteristik 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 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 Aufrichtvermögens 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, welcher die zu jedem vorgegebenen Zeitpunkt im Zylinder befindliche Luftmenge mißt. Wenn das Betätigungsglied 53 die Aufrichteigenschtften 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.

; 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 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 der Stabilisator für Präzession-Winkelveriagerungen von bis zu 45° wirksam ist die nicht als wesentlich kleiner als 1 angesehen werden können. Daher muß bei

in Frage kommenden großen Winkelverlagerungen Φ der cos Φ in den Gleichungen (t) 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 (I) 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 (I) 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 fr-Offshore Drilling Vessels« behandelt, die bei der Offshore Exploration Conference in New Orleans,

->« 1 nnipUtin/i ^ICA vorr \^Λ< 15 Februar !96S vcr^wC"! 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 Winkel verlagerung Φ, bis zu welcher der Stabilisator wirksam ist,

jo 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 Aufrichtcharakleristik 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 /Ω des Rotors 13 um die Drehachse 17 vergrößert oder die Aufrichtcharakteristik K geändert wird. Die erstgenannte Möglichkeit ist nicht sehr günstig, na 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 Winkeigeschwindigkeit 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 Winkelausschlags des Kardanrings 7 im wesentlichen

die V/inkelverlagerung Φ, die im Verlauf tier Stabilisierung auftritt. Dies ergibt sich aus der Überlegung, daß äas zur Überwindung der K.-aft der Federn 18 und 19 erforderlirhe Drehmoment mit zunehmender Winkelverlagerung <I> zunimmt. Zur Verkleinerung der Winkelveflagefüfig Φ infolge von Präzession wird daher die Aufrichtcharakteristik K in der Nähe der Endpunkte des Winkelaussehlags des Kardanrings 7 erhöht. Mit anderen Worten ermöglicht eine nichtlincare Aufrichtcharakteristik K₁ welche sich als Funktion der Winkelverlagerung aus der Bczugsstellung erhöhl, eine optimale Stabilisierung ohne Übermäßige Winkelverlagerung Φ infolge von Präzession.

F i g. 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 bestimmt, welcher das Schiff voraussichtlich ausgesetzt sein wird. Mit anderen Worten ist die Neigung des Segments 73 so groß, daß die auf Präzession beruhende Winkelverlagerung Φ bei der größten zu erwartenden

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

zwischen den Segmenten 71 und 73 gewährleistet ist. Infolgedessen sind der Kardanring 7, die Traganord nung 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 Zwischensegmenle mit unterschiedlichen Steigungen

CItIIIiUIIII^I

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Winkelverlagerung Φ stellt die ideale nichtlineare Aufrichtchaiakteristik 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 Ä-frichtcharakleristik 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 weichen die Ableitung der Gleichung (5) beruht, gilt folgende Gleichung:

I, (2 .7 A)
K₁- _/2 .

Die durch das Segment 73 dargestellte Aufrichtcharakteristik K₂ wird durch die maximale Wellenhöhe iS rüi'iKÜuü uer ίΐΐ ciMAüiügcfi, UiVt ucfi uuci'güfig ZwiSCiicn uci'i ocgiTicuicü

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 Stampfbewr-

gung des Schiffs 1 verursacht zusätzlich zur Präzession infolge der Schiffs-Rollbewegung eine Winkelverlagerung der Kardananordnung um die Querachse 3. Dor Stabilisator bewirkt mithin je nach der Stampfbewegung eine Über- oder Unterkompensation der Rollbe-

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.

j-5 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 Kreiselstabi-

lisatoren eine Überkomp°nsation der Rollbewegung des Schiffs und der andere Kreiselstabilisator eine Unterkompensation. Pas Gesamtergebnis besteht darin, daß die Auswirkung der Stampfbewegung des Schiffs bei Rollbewegung-Stabilisierung praktisch aus^schal-

tetwird.

Hierzu 2 Blatt Zcichnuimcn

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 Winkelveriagerung des Kardanrings (7) um die zweite Achse (3) in die Bezugssteilung dadurch einstellbar ist, daß eine Einrichtung (50) eine Änderung der Winkelverlageningsfrequenz aufipürt, daß eine Einrichtung (53) das Verhältnis des Aufrichtdrehmoments zur Winkelverlagerung des ICardanrings um die zweite Achse einsteilt und daß eine Einrichtung (54) dieses Verhältnis derart iteuert, daß die Frequenz der schwingenden Winkelveriagerung 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 Winkelveriagerung um die erste Achse als Funktion der Frequuiz liegt.

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

4. 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) einer ■ichtlinearen Funktion folgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennleichnet, daß das Verhältnis des Aufrichtdrehmoinents zur Winkelverlagerung des Kardanrings (7) um die /weite Achse (3) im wesentlichen I₂ (2πί)² beträgt, wobei h das Trägheitsmoment der Kardan- «nordnung um die zweite Achse und /"die Frequenz der schwingenden Winkelverlagerung um die erste Achse (2) bedeuten.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennleichnet, daß das Verhältnis des Aufrichtdrehmoments zur Winkelverlagerung des Kardanrings (7) Mm die zweite Achse (3) selbsttätig auf Veranlassung durch eine selbsttätig wirkende Einrichtung (50) zum Aufspüren von Änderungen der Frequenz der «chwingenden 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 Winkelveriagerung 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 (18j 19) zur Anlegung eines Aufrichtdrehmoments eine zwischen den Körper (ί) und den Kardanring (7) eingeschaltete Feder ist, die eine einstellbare Aufrichtcharakteristik bzw. Auf rieh tvermögen he's sitzt

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

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 Kardannngs (7) um die zweite Achse (3) einen kleineren Wert besitzt als bei großen Winkelverlagerungen.

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

IZ Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis

>> 11. dadurch gekennzeichnet, daß ihr eine zweite, gleichartige Vorrichtung zugeordnet ist, deren Rotor (13) gegenläufig drehend zu dem der ersten Vorrichtung angeordnet ist.