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Vorrichtung zum Anzeigen der geographischen Breite eines Ortes. Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichttyng zum Anzeigen der geographischen
Breite mit Hilfe eines mit zwei Freiheitsgraden ausgestatteten Kreiselapparates,
dessen Achse durch einen Kreiselkompaß oder eine andere dieNord-Süd-Richtung anzeigendeVorrichtung
stets in der Meridianlinie gehalten wird. Nach der Erfindung ist der die Breite
anzeigende Kreiselapparat mit seinem Massenschwerpunkt im Schnittpunkt der beiden
Kardanachsen gelagert und wird durch eine in einem kardanisch aufgehängten Gestell
senkrecht gelagerte Welle mit Hilfe eines von dein Mutterkompaß eines Kreiselkompasses
in
Tätigkeit gesetzten Gleichlaufmotors so gedreht, daß die die
Ortsbreite anzeigende Kreiselachse stets in der Meridianebene gehalten wird.
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Um eine für die Kriegs- und Handelsmarine erwünschte größere Genauigkeit
in der BreitenUestimmung zur See zu gewährleisten, ist es notwendig, die Kreiselvorrichtung
an Bord eines Schiffes so einzubauen, daß sie Ruhestörungen, die bei fahrenden Schiffen
allzu häufig auftreten können, nicht unterworfen ist. Es erwächst daher die Aufgabe,
eine horizontale Ebene oder eine vertikale Achse in einem Schiffe so anzubringen,
daß sie unter allen Umständen stets in derselben Lage bleibt, also unabhängig von
allen äußeren Einflüssen gemacht ist, welchen ein in Fahrt befindliches Schiff unterworfen
ist. Zu diesem Zwecke sind in dem kardanisch aufgehängten Gestell oberhalb und unterhalb
seiner beiden Kardanachsen je einer oder mehrere, vorzugsweise vier elektrisch angetriebene
Kreisel angeordnet. Diese sind so eingebaut, daß das Gestell in der Ruhelage sich
im indifferenten Gleichgewicht befindet und daß sich die Richtkraft eines jeden
Kreisels auf das Gestell in der Weise überträgt, daß dasselbe mit einer aus den
Einzelkräften aller vier Kreisel entstehenden resultierenden Richtkraft ausgerüstet
und hierdurch vor Drehungen um die Kardanachsen bewahrt wird.
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Im folgenden sei die Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert.
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Abb. z und a stellen je eine Seitenansicht der Vorrichtung dar, in
verschiedenen Richtungen gesehen, zum Teil im Schnitt.
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Abb. 3 eine Ansicht von oben. Der Ring r1 ist mittels der Achse II
des Ringes y' und der Achse I in der Weise kardanisch gelagert, daß sich die beiden
Achsen I und II schneiden. Zur Verminderung der Zapfenreibung auf ein geringstes
Maß drehen sich die Achsen in Kugellagern. Mit der Achse I ist das System im Schiffe
federnd befestigt. Die Federn sind einstellbar, so daß ,die Achse I mittels einer
auf dem Ringe y' befestigten nicht dargestellten Libelle in horizontale Lage gebracht
werden kann. An dem Ringe y1 kann senkrecht zu der ersten eine zweite Libelle angeordnet
sein. Mittels dieser und eines in Richtung der Achse II verschiebbaren Gewichtes
kann die Achse II ebenfalls in horizontale Lage gebracht werden. Dann bildet der
Ring r1 eine horizontalliegende Ebene. Nach oben und nach unten sind an dem Ringe
r1 Rahmen f und g befestigt.
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Mit der Mittellängsachse genau zusammenfallend sind an den Rahmen
f und g oberhalb und unterhalb der Kardanachsen Halslager n und o befestigt, welche
zur Aufnahme der den Kreiselapparat zum Anzeigen der geographischen Breite tragenden,
senkrechten Achse e dienen. Mit dieser Achse e ist ein Rahmen d
fest verbunden,
in welchem die Achse c senkrecht zu der Achse e in Kugellagern drehbar gelagert
ist. Die Achse c trägt einen mit ihr fest verbundenen Bügel b, in welchem der zum
Anzeigen der geographischen Breite dienende Kreisel K mit seiner zur Achse c senkrecht
angeordneten Drehachse a in Kugellagern laufend gelagert ist. Ein auf der Achse
e befestigtes Schneckenrad p steht mittels der Schnecke q in Verbindung mit dem
Gleichlaufmotor M, der ähnlich wie die Nachdrehmotore der Tochterkompasse von dem
Mutterapparat eines Kreiselkompasses in der Weise in Tätigkeit gesetzt wird, d'aß
die in der Horizontalebene liegende Achse c stets senkrecht zu der Nord-Süd-Richtung
gehalten wird. Die Achse c ist mittels der beweglichen Lager t (Abb. z) in dem Rahmen
d gelagert. Auf Kugeln rollend können diese Lagert in der Horizontalebene eine Bewegung
ausführen, deren Spielraum mit Hilfe der Schrauben zaüf ein bestimmtes Maß begrenzt
werden kann. Auf diese Weise können Fehler, die durch die elektrische Übertragung
des Winkels der Schiffsdrehung von Mutterkompaß auf Tochterapparat und damit auch
auf den Gleichlaufmotor M unvermeidlich sind, aufgehoben werden, indem hierdurch
der zum Anzeigen der geographischen Breite dienende Kreisel K für den dem Spielraum
entsprechenden, geringen Betrag der Schiffsdrehung zu einem Kreisel mit drei Freiheitsgraden
gemacht ist. Die Größe des Spielraumes ist abhängig von den jeweilig bei dem Kreiselmutterkompaß
bestehenden Verhältnissen und kann mittels der Einstellschrauben v auf das erforderliche
Maß gebracht werden. Während sich das Schiff um diesen kleinen Winkel dreht, behält
der Kreisel K die Richtung seiner stets parallel zur Erdachse sich von selbst einstellenden
Achse a im Weltenraume bei. Infolgedessen bewegen sich die Lager t in der einen
oder anderen Richtung, bis sie mit den Einstellstiften v in Berührung kommen. In
diesem Moment tritt dann auch der elektrische Kontakt am Mutterkompaß ein, wodurch
der Gleichlaufmotor M in Tätigkeit gesetzt und der Rahmen d entgegengesetzt der
Schiffsdrehung um denselben Winkel gedreht wird, um welchen sich das Schiff dreht,
so daß die Achse c stets senkrecht zu der Nord-Süd-Linie gehalten wird und die Kreiselachse
a dauernd in der Ebene .des Ortsmeridians liegt. Zum Ablesen des Winkels der geographischen
Breite trägt der Rahmen d eine mit ihrer Ebene senkrecht- zu der Achse c befestigte
Skala
s, an welcher ein an dem Bügel b befestigter Zeiger Z vorbeistreichen kann. Die
Elevation der Kreiselachse a über der Horizontalen gibt den Winkel der geographischen
Breite an. Zum Ablesen von. Minuten und evtl, auch Sekunden können noch besondere
Skalen mit einem entsprechenden Übersetzungsverhältnis vorgesehen werden.
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Die Rahmen f und g dienen ferner zur Aufnahme von je zwei Kreiseln.
Die beiden oberhalb der Kardanachsen liegenden Kreisel sind mit KI und K=, die beiden
unterhalb derselben liegenden mit Kg und K-1 bezeichnet. Die Kreisel sind mit ihren
Drehachsen in Bügeln 'h in Kugellagern gelagert. Die Bügel l2. sind an Achsen i
in der Weise befestigt, daß die Kreiselschwerpunkte von der Achsenmitte denselben
Abstand k haben. Mittels der Acfisen i sind die Kreisel in den 'Rahmen f und g ebenfalls
in Kugellagern drehbar gelagert. Die Achsen i der beiden oberen Kreisel KI und K-
(vgl. Abb. i) haben von der Mittellängsachse des Systems den gleichen Abstand l
und von den Kardanachsen den Abstand »a, der gegebenenfalls verändert werden kann,
was in der Zeichnung jedoch nicht dargestellt ist. Sie sind parallel zu der Mittelebene
des Ringes y1 und zu der Kardanachse I in dem Rahmen f drehbar gelagert. Die Achsen
i der beiden unteren Kreisel Kl' und K= -sind zu denen der oberen um 9o° versetzt,
haben ebenfalls von der Mittellängsachse den gleichen Abstand l und von den Kardanachsen
den regulierbaren Abstand in (vgl. Abb.2). Sie sind gleich den oberen parallel zu
der Mittelebene des Ringes r1, jed#--)ch senkrecht zu der Kardanachse I in dein
Rahmen g drehbar angeordnet. Die Drehrichtungen der Kreisel sind so gewählt, da,ß
die von KZ und K8, von oben gesehen, im Sinne des Uhrzeigers, die von K1 und K4
dagegen entgegen dem Sinne des Ührzeigers erfolgen. je ein oberer Kreisel ist mit
einem unteren von entgegengesetztem Drehsinn durch ein in Kugellagern sich bewegendes
Kupplungsgestänge verbunden. Abb. i läßt diese Kuppelung für die Kreisel K1 und
K3 erkennen. Sie ist in der Weise ausgebildet, ,daß Drehungen der Achsen i bezüglich
des Rahmens f oder g zwangläufig und gleichsinnig erfolgen, wenn man auf das Ende
der Achse i schaut, an dem die Kupplung angreift. Abb. q. stellt ein Kupplungsschema
dar und läßt erkennen, in welcher Weise die beiden anderen Kreisel KZ und K4 miteinander
gekuppelt sind. An den mit x und y bezeichneten Achsenenden greifen die Kupplungen
an, so daß x mit x und y mit y verbunden ist und Drehungen der Achsen
i stets gleichsinnig erfolgen, wenn man auf diese Enden schaut. Die Wirkungsweise
des Instrumentes ist folgende. Angenommen, das System befinde sich mit seiner Mittellängsachse
in vertikaler Lage und in Ruhe. Dann sind die Drehachsen aller vier Kreisel infolge
ihrer stabilen Aufhängungsart zueinander und zu der Mittel-'ängsachse parallel.
Treten nun Kräfte auf, welche das System aus der vertikalen Lage bringen wollen,
so bedeutet das Verlassen derselben eine Drehung des Systems um die eine oder andere
Kardanachse. -Angenommen, sie erfolgte um die Achse 11 in irgendeinem beliebigen
Sinne. Die geringste Drehung bewirkt ein Ausschwingen der beiden oberen Kreisel
von der Mittellängsachse weg oder zu ihr hin. Unter der Voraussetzung, daß die Drehimpulse
aller Kreisel und die Reibungsverhältnisse den Drehlagern gleich sind, erfolgt dabei
die Schwerpunktsverlegung beider Kreisel symmetrisch zu der Kardanachse I, so daß
das Gleichgewicht bezüglich dieser nicht gestört wird. Infolge der Kupplungen werden
die beiden unteren Kreisel ebenfalls zum Ausschwingen in der einen oder anderen
Richtung gezwungen, und zwar in gleichem Sinne wie .die oberen Kreisel, d. h. entfernen
sich die Schwerpunkte der oberen Kreisel von der Mittellängsachse des Systems, so
geschieht dasselbe mit den Schwerpunkten der unteren Kreisel und umgekehrt, ohne
d'aß hierbei die Gleichgewichtslage bezüglich der Kardanachsen I und II gestört
wird. Dasselbe gilt natürlich, wenn die Drehung des Systems um die Kardanachse I
erfolgt. Bei dem Ausschwingen der Kreisel müssen infolge der stabilen Aufhängungsart
ihre Schwerpunkte gehoben werden; es entspricht also jeder Drehung des Systems um
eine der beiden Kardanachsen eine vierfache Arbeitsleistung, welche beliebig groß
bemessen sein kann. Infolge dieser Anordnung erhält die Mittellängsachse des Systems
eine resultierende Kraft in vertikaler Richtung, die so groß gemacht werden kann,
daß die an sich schon infolge der Kugellager sehr kleinen Drehmomente der Zapfenreibung
in den Kardanachsen überwunden werden.
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Beschleunigungskräfte, die durch eine Geschwindigkeits- oder Richtungsänderung
des Schiffes hervorgerufen ,werden, sind in der Weise unwirksam gemacht, daß einmal
das ganze System bezüglich der beiden Kardanachsen möglichst genau ausgeglichen
ist, dann aber auch, indem Schwingungen um die Achsen i, zu welchen zwei nebeneinanderliegende
Kreisel infolge von senkrecht zu diesen Achsen i auftretenden Beschleunigungskräften
gezwungen werden könnten, keine Kantungen des Ringes r1 um die zu den Achsen i senkrecht
angeordnete Kardanachse
zur Folge haben können, da- die -beiden
nebeneinanderliegenden Kreisel sich in entgegengesetztem Sinne drehen.
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Weiterhin ist der Einfluß einer Drehung des Schiffes nach Dachbord
oder Steuerbord durch die Kupplung je eines oberen mit einem unteren Kreisel von
entgegengesetztem Drehsinn unwirksam -macht. Jede Schiffsdrehung bedeutet eine Drehung
des ganzen Systems um eine nette Achse, welche im Abstande des Krümmungshalbmessers
parallel zur Mittellängsachse des Systems liegt. Erfolgt die Drehung beispielsweise
nach Steuerbord, von oben betrachtet also im Sinne des Uhrzeigers, so werden die
Kreisel KI und K4 nach den lireiselgesetzeii in der Weise beeinflußt, daß sie eine
Drehung um ihre Achsen i in dein einen oder anderen Sinne ausführen wollen, um.
ihre eigenen Drehachsen in gleichsinnigen Parallelismus mit der neuen Drehachse
zu stellen. Bei genügend großem Drehimpuls der Kreisel und genügend schneller Drehung
des Schiffes würden dieselben hierbei unter Umständen, d. h. wenn die Kreisel nicht
miteinander gekuppelt wären, sogar die der Hebung ihrer Schwerpunkte entsprechende
Arbeitsleistung von 2 G # k überwinden, wenn G das Gewicht eines Kreisels
und k den Abstand seines Schwerpunktes von der Achse i bedeutet. Die beiden anderen
Kreisel K2 und K' erhalten aber das entgegengesetzte Bestreben, da ihre Drehachsen
in gleichsinnigem Parallelismus mit der Achse der Schiffsdrehung stehen. Diese erhalten
also in ihrer augenblicklichen Lage durch die Schiffsdrehung plötztich verstärkte
Richtkräfte, während diejenigen der beiden anderen Kreisel in demselben Maße geschwächt
werden. Da nun KI mit K3 und' K" mit K4 mittels der Achsen i und des Kupplungsgestänges
miteinander gekuppelt sind, so heben sich die Einflüsse der Schiffsdrehung stets
gegenseitig auf, gleichgültig, in welchem Sinne dieselbe erfolgte.
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Aus dem Gesagten geht daher hervor, däß Kräfte irgendwelcher Art und
Richtung keine Störung der durch den Ring r1 festgelegten., horizontalen Ebene zur
Folge haben können. Es bleibt nunmehr noch zu betrachten; welchen Einfluß die Erddrehung
auf das System haben könnte. Da die Drehung der Lotrechten im Raume an den Polen
gleich Null, am Äquator dagegen am größten ist, so denke man sich mit dem System
am Äquator befindlich. Die Drehung der Lotlinie im Rauine erfolgt dort uni eine
horizontal und in der Nord-Süd-Richtung, also parallel der Erdachse liegende g;
dachte Linie. Angenommen, das System befinde sich am Äquator, die Mittellängsachse
im Lot und in Ruhe. Der leichteren Anschauung halber möge eine Kardanachse, z. D.
die Achse II, mit der Nord-Süd-Richtung zusammenfallen. Unter der Annahme, daß die
beiden oberen Kreisel K1 und K` mit dem Rahmen f fest verbunden wären, so däß sie
sich tun die hchsen i nicht drehen könnten, würden die Richtkräfte beider Kreisel
dein System die Eigenschaft verleihen, die Lage der Mittellängsachse im Raume unverändert
beizubehalten. Unter diesen Umständen wären nämlich beide oberen Kreisel mit drei
Freiheitsgraden ausgerüstet, nur wäre der Schwerpunkt jedes Kreisels außerhalb der
beiden Kardanachsen verlegt, die einseitige Massenhäufung jedoch durch Anbringung
von entgegengesetzt liegenden Massen ausgeglichen. Ein Kreisel mit drei Freiheitsgraden
behält aber, wie bereits bekannt ist, die Stellung seiner Achse im Weltraume unverändert
bei. Unter der obenerwähnten Annahme hätten demnach die beiden oberen Kreisel ein
Wandern des Systems aus der Lotrechten heraus entsprechend der Erddrehung zur Folge
haben können. Die beiden unteren Kreisel hätten bei derselben Annahme die Richtkräfte
der oberen unterstützt. Sind dagegen ihre Achsen i im Rahmen g drehbar gelagert,
so hätten sie zwar die Kraft der oberen Kreisel nicht unterstützt, dem Wandern aus.
der Lotrechten heraus aber auch keinen Widerstand entgegengesetzt, da sie selbst
um ihre zu der Kardanachse II parallel angeordneten Achsen,i sich hätten drehen
können. Unter der weiteren Annahme, daß die beiden oberen Kreisel mit ihren Achsen
i im Rahmen f drehbar gelagert wären, hätte ein Wandern des Systems
aus der Lotrechten heraus auch noch stattfinden können, wobei die Achsen i selbst
keine Drehungen bezüglich des Rahmens f ausgeführt hätten, da sie mit der Kardanachse
I parallel sind, und die Präzession des Systems um die Achse II erfolgte.
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Nun sind aber alle Kreisel -nicht nur um ihre Achsen i drehbar gelagert,
sondern auch paarweise miteinander gekuppelt. Eine Drehung des Systems um die Achse
II bewirkt jetzt eine gleichzeitige Drehung der Achsen i der beiden unteren Kreisel
bezüglich des Rahmens g. Durch die Kupplung wird diese Drehung auch auf die beiden
oberen Kreisel übertragen, -und zwar in der Weise, daß die Kreiselschwerpunkte sich
nicht in gleichem Maße der Mittellängsachse des Systems nähern oder sich von ihr
entfernen, sondern daß der eine sich ihr nähert und der andere in demselben Maße
sich von ihr entfernt. Hierdurch würde aber eine Störung des Gleichgewichtes des
ganzen Systems bezüglich der Kard'anachse I verursacht werden, welche das System
zu einer Drehung um diese
Achse zwingen würde. Diese aber würde
wiederum ein AusschNvingen der unteren Kreisel und damit infolge der Kupplung auch
der oberen zur Folge haben.- Wenn also das Svstem einer Präzession infolge der Erddrehung
unterworfen wäre, so würden sich demnach alle vier Kreisel stets schwingend beeinflussen,
mit dem Bestreben, daß sie nach dein Gesetz von der Trägheit der Massen zur Ruhe
kommen. Obgleich das System bezüglich der beiden Kardanachsen annähernd genau ausgeglichen
ist, gibt es doch nur eine einzige Lage, in welcher dieser Massenausgleich vollkommen
hergestellt ist und die Kreisel sich nicht gegenseitig beeinflussen. Sie ist dann
erreicht, wenn die Mittellängsachse des Systems finit der Ortslotrechten genau zusammenfällt.
In dieser Lage befindet sich das System in absoluter Ruhe und sucht darin dauernd
zu verharren, wobei die Mittellängsachse mit einer erheblichen Richtkraft ausgerüstet
ist, indem sich die Richtkräfte aller vier Kreisel zu einer mit der Richtung der
Ortslotrechten zusammenfallenden, - resultierenden Kraft geometrisch addieren. Um
das ganze System bezfiglich der beiden Kardanachsen bequemer und genauer ausgleichen
zu können, so daß sich dasselbe in der Ruhelage im indifferenten Gleichgewicht befindet,
kann entweder die Einrichtung getroffen werden, daß die Lager der Achsen i der oberen
oder unteren Kreisel in dem Rahmen f oder g schlittenartig und zwangläufig in vertikaler
Richtung verschoben werden können, oder man kann den Massenausgleich dadurch bewirken,
daß man in dem kardanisch aufgehängten Gestell ein Gewicht anbringt, welches mittels
Schraubengewindes in Richtung der vertikalen Längsachse des Systems verschoben werden
kann. In der Zeichnung ist irgendeine Art dieser Regulierung des Massenausgleichs-der
Einfachheit halber nicht besonders zum Ausdruck gebracht worden.