DE19640277A1 - Maschine zur Erzeugung von Winkelbeschleunigungen, für Steuerzwecke durch das Wechselwirkungsprinzip - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Maschine, bei der durch positives bzw. negatives Beschleunigen von rotierenden Massen, Wechselwirkungs- Winkelbeschleunigungen erzeugt werden (Reaktionsprinzip), die bei einem Fahrzeug gezielte Steuerfunktionen übernehmen können.

Eine solche Maschine eignet sich u. a. dazu, das unerwünschte Schlingern von Schiffen zu dämpfen.

Als Schlingerdämpfer sind heute hauptsächlich folgende Systeme im Einsatz:

• 1. Schlingerkiele, haben nur einen geringen Wirkungsgrad und ver­ größern den Schiffswiderstand.
• 2. Schlingertanks, die im wesentlichen durch eine gesteuerte Gewichts­ verlagerung im Schiff, die Schlingerbewegung dämpfen. Dazu sind relativ große Massen notwendig und das System ist reaktionsträge.
• 3. Schiffskreisel, das sind schnellaufende Kreisel, die durch ihr Bestreben ihre Achse raumfest zu halten dem Schlingern entge­ gen wirken. Wird ihre Achse aus der Senkrechten gebracht, so will der Kreisel auch diese neue Stellung beibehalten. Mit diesem System ist keine situationsbedingte, aktive Steuerung möglich.
• 4. Flossenstabilisierung, das sind aus dem Rumpf ausfahrbare Flossen, die so gesteuert werden, daß sie der jeweiligen Schlingerbewegung entgegenwirken, wobei sie in umgekehrtem Drehsinn entsprechend angestellt werden. Ihre Wirkung ist stark von der Relativgeschwin­ digkeit des Schiffes abhängig. Sie erhöhen den Schiffswiderstand, und bei jedem Null-Durchgang der Flossenstellung bewirken sie ein "Schnellen" des Schiffes.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schlingerdämpfung zu realisieren, die eine sich aufbauende Schwingung des Schiffes sofort erkennt, qualifiziert, und sofort darauf reagieren kann. Sie sollte bei jeder Fahrtgeschwindigkeit (auch im Stillstand) gleich effektiv arbeiten. Keine Vortriebsverluste für das Schiff mit sich bringen. Keine zusätzlichen Schiffs-Stabilitätsprobleme bewirken. Auch bei extremen Verhältnissen noch effektiv arbeiten. Durch ent­ sprechende Anordnung der Torsion des Schiffskörpers entgegen­ wirken können, und schließlich kostengünstig und nachrüstbar sein.

Die Funktionsweise einer solchen Maschine soll hier beispielhaft beschrieben werden. (s. Abb. I und II).

Ein Schiff (1) wird durch äußere Kräfte und Momente, (Wind und Wellen) um seine Schlingerachse (2) zu Pendelbewegungen angeregt. Da das Massenträgheitsmoment des Schiffes groß, seine Winkelbeschleu­ nigung aber klein ist, kann der Gesamtdrehimpuls des Systems durch ein zweites kleines Massenträgheitsmoment mit großer Winkelbe­ schleunigung neutralisiert werden.

Die Maschine ist im Schiffskörper so angeordnet, daß die Rotations­ achse der Schwungräder (3; 4) im Bereich der Schlingerachse (2) des Schiffes liegt.

Die beiden Schwungräder (3; 4) werden über ein Differentialgetriebe (6) und einem einseitigen Zwischenrad (7) (zur Drehrichtungsumkehr) von einem Motor (5) angetrieben. Durch diese Anordnung drehen sie mit gleicher Drehzahl aber entgegengesetztem Drehsinn, wodurch ihr Gesamtdrehmoment nach außen gleich Null ist.

Wird nun im Bedarfsfall eines der Schwungräder (3) z. B. durch einen Steuermotor (9) über seine Drehzahl hinaus positiv beschleunigt, so wird das zweite Schwungrad (4) automatisch negativ beschleunigt, da der Motor (5) bestrebt ist seine Drehzahl beizubehalten. Diese beiden Winkelbeschleunigungen addieren sich und üben, da sie in Wechselwirkung mit dem Schiffskörper stehen, auf diesen die erwünschte entgegengerichtete Winkelbeschleunigung aus. Schwingt der Schiffskörper in entgegengesetzter Richtung, dann wird die Wirkrichtung der Maschine umgekehrt, d. h. der Steuermotor (8) beschleunigt nun Schwungrad (4).

Da die Drehrichtungen der Schwungräder beibehalten werden, und die kinetische Energie eines Schwungrades auf das andere übertragen wird, ist der gesamte Energieverbrauch relativ gering.

Die Steuerung der Maschine erfolgt über Sensoren, die sowohl die Ist-Werte des Schiffes als auch der Maschine erfassen, und die Verrechnung dieser Werte mit allen anderen notwendigen Parametern. Dadurch ist es möglich einer sich aufbauenden Schlingerschwingung im Ansatz entgegenzuwirken, und gleichzeitig mit dem Erreichen der Stabilitätslage, die Maschine wieder zu ihrem neutralen Gesamt­ drehmoment zurückzuführen.

Das zur Maschine gehörende Meß- und Regelsystem sollte so ausgelegt sein, daß es sowohl permanent einseitig wirkende Schlingermomente, als auch die während einer Schlingerperiode zusätzlich auftretenden Momente, berücksichtigen kann.

Anstelle der Steuermotoren (8; 9) könnten auch andere Elemente, z. B. Generator-Motor-Kombinationen eingesetzt werden.

Wenn zwei solche Maschinen, jeweils im Bug-, und Heckbereich ange­ bracht sind, besteht durch entsprechende Regelung zusätzlich die Möglichkeit der Durchbiegung und Torsion des Schiffskörpers ent­ gegenzuwirken.

Eine solche Maschine kann auch in anderen Fahrzeugarten der See-, Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. Bei diesen Fahrzeugarten kann sie auch dazu verwendet werden, eine Lage- oder Richtungs­ änderung zu bewirken.

Claims (5)

1. Maschine für Steuerzwecke, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach dem Reaktionsprinzip, Winkelbeschleunigungen auf einen Körper ausübt, um diesen um eine Trägheits- oder Schlingerachse herum, gezielt zu steuern. Dies geschieht, indem sie rotationsfähige, gegenläufige Massen, deren Rotationsachse im Bereich dieser Trägheits- oder Schlingerachse liegen, um diese herum, beschleunigt. Die rotations­ fähigen Massen sind dabei so miteinander gekoppelt, daß bei posi­ tiver Beschleunigung eines Massenteils, der andere Teil negativ, und umgekehrt, beschleunigt wird.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rotations­ fähigen, gegenläufigen Massen dadurch gekoppelt sind, daß sie von einem Antrieb über ein Differentialgetriebe und einseitiger Dreh­ richtungsumkehrung, angetrieben werden, so daß sie in der neutralen Ausgangssituation mit gleichem Drehmoment aber gegensinnig drehen. Wird nun darüber hinaus eine der Rotationsmassen beschleunigt, so erfährt die andere die gleiche Beschleunigung, allerdings mit ent­ gegengesetztem Vorzeichen, wodurch sich ihre Wirkungen auf den zu steuernden Körper, addieren.

3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Schiffen zur Schlingerdämpfung eingesetzt wird, wobei die Achse der Rotations­ körper im Bereich der Schlingerachse des Schiffes liegt. Dadurch kann der jeweiligen Winkelbeschleunigung des Schiffes, hervorge­ rufen durch äußere Momente, durch entsprechende Winkelbeschleunigungen der Rotationskörper, entgegengewirkt werden.

4. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem Schiff sowohl im Bug- als auch im Heckbereich vorhanden ist, wodurch bei entsprechender Steuerung, nicht nur das Schlingern gedämpft, sondern auch der Durchbiegung und Torsion des Schiffskörpers ent­ gegengewirkt wird.

5. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf Körper, die sich um Trägheitsachsen drehen können, Winkelbeschleunigungen ausübt, so daß diese Körper eine gezielte Lage- oder Richtungsän­ derung ausführen.