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Druckkompensator für Kreisel. Wird einem in Richtung y rotierenden
Kreisel a ein seitlicher Druck x (s. Abb. i) normal erteilt; so scheint
bekanntlich die Figurenachse des Kreisels diesem Druck um go° verschoben auszuweichen,
und zwar in Richtung y und um so eher, -je geringer der dem Kreisel in der Figurenachse
erteilte Drehimpuls ist.
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Diese für viele praktische Zwecke störende Ausweichung kann gemildert
werden, wenn man den seitlichen Druck x am Umfange des Kreisels a (s. Abb. 3) in
Richtung y1 oder r2
wandern läßt. Je schneller diese Wanderung vor
sich geht, um so stabiler wird das Kreiselsystem. Jedoch wird eine günstige Beeinflussung
praktisch schon bei kleiner Geschwindigkeit der Druckwanderung erzielt. Eine vollkommene
Stabilität durch die Druckwanderung würde theoretisch allerdings erst bei der Geschwindigkeit
oo erreicht.
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Nun zeigt es sich, daß ein Kreisel infolge der Trägheit sehr starke
seitliche Druckwirkungen x verträgt, wenn dieselben von kurzer Dauer und in langen
Intervallen erfolgen. Um nun auch bei kurzen Intervallen eine praktisch günstige
Beeinflussung des Kreisels hinsichtlich der Lage der Figurenachse zu erzielen, läßt
man die seitlichen und kurzzeitigen Stöße nicht von einer Stelle des Kreisels, sondern
von verschiedenen Stellen x, x1, x2, x3 .... xn aus (s. Abb. 2) gleichzeitig
oder nacheinander erfolgen, wodurch ebenfalls eine praktisch günstige Beeinflussung
des Kreisels ähnlich wie bei Abb.3 erzielt wird.
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Die Ausweichung des Kreisels durch den seitlichen Druck x kann durch
einen gleichartigen und gleichzeitigen Gegendruck kompensiert werden. Die Vorrichtung,
welche die Eigenschaften einer solchen Druckwanderung und Kompensation des seitlichen
Druckes x am Kreisel, zwecks Beibehaltung seiner Figurenachse, hervorruft, so daß
hierdurch ohne Verzögerung Steuerorgane usw. an Maschinen und Apparaten folgerichtig
verstellbar sind, um dieselben in die richtige Lage zurückzuzwingen oder einen künstlichen
Horizont an denselben zu schaffen oder deren Lage zu weisen, so einer vielseitigen
Verwendbarkeit dienend, bildet nun den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, welche
teilweise eine Kombination aus anderen Kreiselsystemen, beispielsweise nach den
französischen Patenten 41o686 und 421530, jedoch unter Vermeidung ihrer Nachteile
und Vereinigung sowie Ausnutzung ihrer Vorteile darstellt. Bei Schaffung des künstlichen
Horizonts an den Fahrzeugen usw. selbst kann der künstliche Horizont auch am Kardanring,
in welchem der Kreisel mit seiner Achse lagert, senkrecht zur Figurenachse des Kreisels
aufgebaut werden, oder der künstliche Horizont kann auf oder in einem besonderen
Kardangehäuse angeordnet werden, welcher von der Kreiseleinrichtung mit Druckkompensator
bei entsprechender Vorgelegeübersetzung betrieben wird.
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Hierdurch eignet sich die Kreiseleinrichtung mit Druckkompensator
nicht nur als Fluglagenregler oder Lagenweiser, sondern auch gut zum Bedienen von
Bildgeräten (namentlich für Reihenbilder), gegebenenfalls auch zum Funken (Senden
und Empfangen), zum Signalisieren, Torpedolanzieren, Bombenwerfen, für Flugtorpedos,
genaues Beobachten, Skizzieren, Zielen, Schießen, Photographieren, zur Herstellung
von Kabinen gegen Seekrankheit und zu vielem anderen mehr.
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Lediglich im Wesen der Kompensation liegt es schon, daß ein gleichzeitiger
Druck auf symmetrisch gelegene Punkte des Kreisels symmetrisch zur Figurenachse
erwirkt wird.
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Der Vorteil beispielsweise beim französischen Patent 41o686 besteht
darin, daß der Kreisel annähernd kräftefrei spielt, der Nachteil jedoch, daß die
Servomotoren zur Stabilisierung unter Verzögerungserscheinungen (auf Grund des Trägheitsgesetzes,
gemäß dem ein Körper vom Zustande der Ruhe nicht gleich in den Zustand der vollen
Bewegung versetzt werden kann), welche unbeabsichtigte Lagen des Flugzeuges u. dgl.
während des Fliegens o. dgl. verursachen, ansprechen.
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Der Vorteil beispielsweise beim französischen Patent q.2£530 liegt
wieder darin, daß infolge des Beharrungsvermögens oder der kinetisch aufgespeicherten
Energie des Kreisels die Verstellung der Steuerorgane unter Zuhilfenahme von Steuerkulissen
ohne Verzögerung vor sich geht, der Nachteil darin, daß der Kreisel nicht kräftefrei
spielt, so daß die Gefahr der Achsenverstellung vorliegt.
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Aus vorstehendem und der eingangs entwickelten Theorie ergibt sich
als einwandfreie Lösung, daß der Kreisel die Verstellung der Steuerorgane zwangläufig
vornimmt, um jedwede Verzögerung zu vermeiden, jedoch durch die mittlerweile einspringenden
Servomotoren nach kurzer Frist entlastet wird.
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Um zu diesem Behufe die Steuerorgane mittels des Kreisels a verstellbar
und um den Kreisel von der Lage der Maschinen unabhängig zu machen, wird derselbe
in letzteren im kardanischen Lager c, d (siehe Abb. q., 5, 6, 7, 8, g und 1o) eingebaut.
Um die Druckwanderung infolge der Einflüsse der Längs-, Quer- und Diagonalstabilisierung
am Kreisel a möglichst praktisch herbeizuführen, wird der Kreisel mit zwei gekreuzten
Steuerkulissen e und f, in denen die Kreiselachse b
spielt, ausgestattet.
Die Steuerkulissen stehen über Seilzüge h o. dgl. mit den Steuerorganen zwangläufig
in Verbindung (s. Abb. q. und 5). Durch die Lagenänderung der Maschine g zur Achse
des Kreisels a werden die Steuerkulissen zwangläufig verdreht und somit die Steuerorgane
in zweckdienlicher Weise, beispielsweise zum Stabilisieren von Flugzeugen, ohne
Verzögerung verstellt.
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Da immerhin, beispielsweise infolge von Windstößen aus ein und derselben
Richtung, eine seitliche Druckrichtung x am Kreisel überwiegen kann, welche bei
längerer Dauer Anlaß zur Ausweichung des Kreisels geben
kann, besonders
wenn dessen Beharrungsvermögen zu klein gehalten ist, werden die Steuerkulissen
mit umsteuerbaren nServoücvorspannmotoren i in Form von Drehmagneten, Ferrarisdrehfeld,
hydraulische Preßzylinder o. dgl. ausgestattet, welche in zwangläufiger Verbindung
mit den Steuerkulissen dem Kreisel die Arbeit zur Überwindung des Druckes x, xn
der Steuerorgane usw. abnehmen, wodurch die störende Ausweichung des Kreisels vermieden
wird.
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Die Zug- oder Druckkraft der reversierbaren ` Servovorspannmotoren
i wird durch Zuhilfenahme von Umsteuereinrichtungen k, in Form von Reversieranlassern,
Reversierventilen o. dgl. mit entsprechender Abstufung, welche mit den Steuerkulissen
gekuppelt sind oder ebenfalls in zwangläufiger Verbindung stehen, jeweilig dem Gegenzug
oder -drucke der Steuerorgane einschließlich aller Reibungserscheinungen angepaßt,
- so daß eine Kompensation dieser Züge erfolgt und der Kreisel kräftefrei spielt.
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Der Kreisel spielt bei dieser Entlastungseinrichtung nur die Rolle
des Anregers, nachdem er die Steuerorgane nebst den Servovorspannmotoren samt Umsteuereinrichtungen
ohne Verzögerung zwangläufig verstellt und somit die Servovorspannmotoren unmittelbar
fast gleichzeitig zwecks Entlastung des Kreisels zur Geltung kommen läßt, -weiterhin
indem er nur kurzzeitig unter der Einwirkung des Druckes x, x" der Steuerorgane
zu stehen kommt.
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Es ist noch zu beachten, daß bei Logenänderung der Maschinen g, bei
der die Kreiselachse b zu sehr in die Nähe der Achse der Zapfenlagerung des äußeren
Kardanringes d einspielt, der Einfachkreisel die Erscheinung eines Doppelkreisels
hervorruft unter Drehung des äußeren Kardanringes d, auf welchem der Reaktionsteil
zum Aktionsteil des Kreisels aufgebaut ist. Es dreht sich demnach in dieser extremen
Lage der Stator und Rotor im entgegengesetzten Sinne. Diesem. Umstande muß durch
Zuführung des elektrischen Stromes über Schleifringgarnituren an den Kardanringlagerungen
Rechnung getragen werden. Ferner klingt das Beharrungsvermögen des Kreisels proportional
mit dem Charakter der Doppelkreiselerscheinung nach außen hin ab und wird bei gleicher
Schwungkraft des Aktions- und Reaktionsteils des Doppelkreisels Null, insofern in
diesem Zustande ein Doppelkreisel nach außen keine Wirkung äußert, da sich seine
kinetische Energie bei seitlichen Druckwirkungen x an der .gemeinsamen Doppelkreiselwelle
vernichtet oder aufhebt.
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Aus diesem -Grunde eignet sich der Druckkompensator (ebb. 4 und 5)
nicht für große Logenänderungen von Maschinen und Appa-, raten, sondern nur für
kleinere und mittlere. Insofern jedoch bei Überschreitung der mitt= leren Lage das
Kreiselsystem durch Erstschalter l ohne störende Nebenerscheinungen abgeschaltet
und elektrisch gebremst werden kann, liegt seiner Verwendung nichts im Wege, umsomehr;
als bei gekreuzten Steuerkulissen die Druckwanderung x am Kreisel am ausgeprägtesten
zui Wirkung gelangt. .
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Um auch für 'große Lagenänderungen",'der Maschinen den Kreisel mit
Druckkompensator in Verwendung bringen zu können, muß zur Anordnung "mit ungekreuzten
Steuerkulissen geschritten werden (s. Abb. 6).
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Bei dieser Anordnung spielt die Kreiselachse in der Nähe- der Lagerzapfenachse
des äußeren Kardänringes d leer, d. h. es sind hier keine Steuerdrücke x zu überwinden;
wodurch Störungserscheinungen durch _ Ale Doppelkreiselwirkung nicht auftreten.
" Im übrigen kann auch hier bei Überschreitung der maximal zulässigen Lage eine
Abschaltung und Bremsung des Kreisels durch Entschalten vorgenommen -werden. ` -Allerdings
erfordert die Anordnung' mit ungekreuzten Steuerkulissen zur Verstellung der Steuerorgane
bei Logenänderung der Maschine in mehreren Dimensionen zumindest zwei Kreisel mit
ungekreuzten Steuerkulissen, wovon der eine (s. Abb. 6) bei Fahrt- öder Flugrichtung
der Maschine g im Sinne des Pfeiles, o die Höhensteuerung, der andere die Quersteuerung
übernimmt. Durch das Zusammenwirken beider Kreisel - wird die Diagonalsteuerung
bewerkstelligt.. Es liegt- .für die Verfeinerung der Druckkompensatoreüwirkung nichts
im Wege, für die Diagonal Stabilität der Maschine g eigene Kreisel -mit ungekreuzten
Steuerkulissen zusätzlich -hinzuzuziehen, wobei die Steuerkulissen schräg'- zur
Fahrtrichtung o einspielen.
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Damit von der Nullstellung aus der Kreisel a nicht gleich den Aktionskörper
der Servovorspannmotoren i mitschleppen muß, kann weiterhin die Einrichtung getroffen
werden, daß 'der Servo mit einer magnetischen Kupplung oder einem Mitnehmer q (s.
Abb: 7) ausgestattet wird. Dieser spielt in - einer Kulisse des Druckkörpers des-
Servo (siehe Abb.7a), welcher dann bei bereits eingeschaltetem Anlasser
k den Kreisel- a entlastet.
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Bei den Druckkompen_ satoren (Abb. q., 5,' 6 und 7) ist die Kraft
der- Servomotoren i kleiner oder gleich groß der Richtkraft des Kreisels a und der
Gegenwirkung der Steuerorgane gehalten, damit bei Rückführung der Maschine g in
die - gewollte Lage der Kreisel a kein stören- des Hemmunis.. findet.
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Damit nun Servos mit stärkerer Kraftentfaltung
als
der Richtkraft des Kreisels oder der Gegenwirkung der Steuerorgane in Verwendung
gezogen werden können, jedoch so, daß hier ebenfalls der Kreisel kein störendes
Hemmnis findet, muß zur Anordnung Abb. 8 -gegriffen werden, bei der die Mitnehmer-
und Auslöseeinrichtungen q1, s, t, u (Abb. 8a) zwischen der Steuerkulisse
f,
dem Kreisel a und dem Seilzug h oder dem Servo i eingebaut
ist, wodurch das Aktionsglied des Servo i über die Lage der Steuerkulisse f hinaus
verdreht und die Steuerkulisse f auch unbehindert in die neutrale Lage durch den
Kreisel zurückgeführt werden kann. In Abb. 8 a sind die beiden Rastscheiben S samt
Mitnehmer qi und den beiden Klinken t der besseren Übersicht halber nebeneinanderliegend
gezeichnet, anstatt in der achsialen Lage, wie es der Wirklichkeit (s. Abb.8) entsprechen
muß. Die Leitschienen u sorgen für Aushebung der Klinken t, wenn dieselben sich
über die neutrale Lage hinaus rückläufig bewegen. Die Anordnung nach Abb. 8 ist
besonders bei Hydro- oder Ölbetrieb der Servos i zu empfehlen. Das Aktionsglied
des Servo kann hier ebenfalls mit einem Mitnehmer q samt Kulisse (s. Abb. 7a) ausgestattet
werden. Abb. g und io stellt eine Abänderung zu Abb. 8 dar und eignet sich auch
gut für Elektrobetrieb der Servos. Die Leitschienen u können hier entfallen. An
Stelle der Steuerkulissen e und f gelangen Bügel v, w zum Einbau, welche zangenartig
auf der Kardanachse gelagert sind (s. Abb. ga). Jeder Steuerbügel v und
w steht über den Seilzügen h mit den Steuerorganen in Verbindung. Zur Verstellung
der Umsteuereinrichtung k ist eine Kulisse z (s. Abb. 9b) erforderlich.
Diese Kulisse kann unabhängig von der Stellung der Steuerbügel in die neutrale Lage
durch den Kreisel zurückgeführt werden.
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Der Vorzug der Kreisel mit Druckkompensator, bei dem sämtliche Glieder
untereinander mittel- oder unmittelbar zwangläufig verbunden sind, gegenüber solchen
ohne Druck. kompensator, liegt darin, daß selbst unter Zuhilfenahme kleiner Kreisel
keine Ausweichung des anregenden Kreisels bei lange währenden seitlichen Drücken
x entsteht, und daß das System sofort ohne Verzögerungserscheinungen auf die Steuerorgane
wirkt, indem den Anfang des ersten Stoßes kurzzeitig der Kreisel selbst aufnimmt.
Das ist bei Kreiseln ohne Druckkompensator nicht der Fall. Diese wirken erst auf
Zwischenglieder, wodurch dann die Servovorspannmotoren zur Verstellung der Steuerorgane
in Funktion gesetzt werden, -wie z. B. beim Drexlerschen oder Sperryschen System.
Dieser Umstand ist sehr wichtig, da bei springenden Winden oder Böen Verzögerungserscheinungen
schäl liehe Folgen im Fluge zeitigen. Der Anfang des Stoßes setzt bei dem sinoidal
verlaufenden Steuerdruck mit geringer Kraft ein.
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Die Kreisel mit Druckkompensator in Sicht des Piloten auf der Maschine
oder Flugzeug g angeordnet, ergeben zugleich eine gute Kennmarke zur jeweiligen
Vergleichung der Lage des Flugzeuges, und es ist daher diese Einrichtung nicht nur
als Lagenregler, sondern auch als Lagenweiser verwendbar. Der Lagenweiser kann zugleich
mit einem Fernzeiger mit mechanischer oder elektrischer Übertragung ausgestattet
werden. Die Steuerorgane sind hierbei durch die optische Zeichengebung ersetzt.
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Der Antrieb des Kreisels erfolgt in bekannter Weise am günstigsten
durch elektrische Energie. Hierbei kann jedes beliebige elektrische Stromsystem,
am günstigsten Drehstrom, benutzt werden. Abb. 6a zeigt beispielsweise das Schaltungsschema
für Gleichstrom. Die Speisung der Servovorspannmotoren kann durch beliebige Energie
erfolgen.
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Damit bei Überschreitung der zulässigen Verdrehung der Steuerkulissen
der Kreisel a abgeschaltet und gebremst wird, erhalten unter anderem die Umsteuereinrichtungen
k noch angebaute Entschalter und Kurzschließer l mit Bremswiderstand
n. Zugleich werden die Servovorspannmotoren i auch abgeschaltet. Ferner kann
durch Einbau von Seilwächtern m usw. Vorsorge zum Abschalten und Bremsen des Kreisels
sowie zum magnetischen Kuppeln oder Auskuppeln der Steuerorgane getroffen werden,
wie auch die ganze Schalteinrichtung durch einen Handschalter oder Anlasser mit
Kurzschließer abgeschaltet und der Kreisel gebremst werden kann. Zugleich ist bei
dieser Kreiseleinrichtung der ganze Verlauf der elektrischen Leitungen bei Elektrobetrieb
bzw. der Verlauf der Rohrleitungen bei Öl- oder Hydrobetrieb örtlich beisammengehalten.
Was die kardanische Aufhängung c, d des Kreisels bezüglich des Schwerpunktes anbelangt,
so kann der Kreisel gegebenenfalls als Meridian- oder als Azimutkreisel ausgebildet
sein. Ersterer ist bekanntlich oberhalb seines Schwerpunkts im Kardan mit lotrechter
Achse, letzterer im Schwerpunkt aufgehängt oder eingehängt. Außer der lotrechten
Weisung der Kreiselachse sind auch für weitere Zwecke horizontale oder schräge Weisungen
der Kreiselachse mit dem Druckkompensator ausführbar. Der Druckkompensator mit Kreisel
kann anstatt auf die Steuerorgane auch auf Relais beliebiger Art, welche als Zwischenglieder
für weitere maschinelle Betätigung fungieren, wirken. Abb. 7, 8 und 9 kann
auch .mit gekreuzten
Steuerkulissen oder Steuerbügeln analog Abb.
q ausgeführt werden.
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Die Handsteuerung zur gewollten Lagenänderung der Flugzeuge usw. ist
am günstigsten ohne Verquickung mit dem Druckkompensator durch separate Steuerorgane,
welche zu den Steuerorganen des Stabilisators im superponierenden Sinne wirken,
zu erzielen. Bei Gleitflug kann ein Zentrifugalschalter, am Propellermotor aufgebaut,
die Abschaltung der Kreiseleinrichtung veranlassen, falls nicht unter Zuhilfenahme
der Handsteuerung der Gleitflug in förderlichen Grenzen gehalten werden soll.
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Sehr wichtig ist es, daß beispielsweise beim Einfliegen des Flugzeuges
der Rahmen (evtl. als Drehrahmen ausgebildet), in welchem der äußere Kardanring
des Kreisels lagert, unter Zuhilfenahme einer Libelle o. dgl. in der Lage des künstlichen
Horizonts bei ruhiger Witterung festgelegt wird. Hierauf werden die Preßschrauben
der vorläufig lose angeordneten Seilscheiben für die im Fluge neutral gedrückten
Steuerorgane auf den Kulissenlagerzapfen festgestellt, desgleichen für die vorläufig
lose gehaltenen Kontakthebel der Umsteuereinrichtungen, des weiteren die Hebel für
das Klink- und Mitnehmerwerk, wodurch alle Glieder der Kreiseleinrichtung samt Druckkompensator
neutral im horizontalen Fluge liegen.
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Erst nach dem Einfliegen des Flugzeuges und erwähnter Vorbereitung
ist die Kreiseleinrichtung reif für die Schaffung des künstlichen Horizonts und
für die Stabilisierung des Flugzeuges.
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Dieser Vorgang ist für die praktische Anwendung der Kreiseleinrichtung
mit Druckkompensator von größter Bedeutung.
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Die Einrichtung kann dann zu Zeiten horizontalen Fluges, also im Fluge,
in Funktion gesetzt werden oder vor dem Start bei senkrechter Stellung der Kreiselachse,
unabhängig von der Lage des Flugzeuges am Boden. Entsprechend ist bei anderen Fahrzeugen
zu verfahren.