DE506208C

DE506208C - Gyroscopic inclinometer for vehicles

Info

Publication number: DE506208C
Application number: DEA53862D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Oskar Richter
Original assignee: Anschuetz and Co GmbH
Current assignee: Raytheon Anschuetz GmbH
Priority date: 1928-04-13
Filing date: 1928-04-13
Publication date: 1930-08-30

Description

Kreiselneigungsmesser für Fahrzeuge Es sind Neigungsmesser für Fahrzeuge, bestehend aus einem Kreiselpendel, bekannt. (las drei Freiheitsgrade aufweist und dessen Achse normalerweise senkrecht verläuft. Solche Neigungsmesser finden beispielsweise als Navigationsgeräte für Flugzeuge Verwendung. Bei diesen bekannten Kreiselgeräten liegt der Schwerpunkt des Kreiselpendels unterhalb des Schnittpunktes der Kardanachsen der Aufhängung, wodurch die Einstellung der Kreiselachse in die Senkrechte herbeigeführt wird.Gyroscopic inclinometers for vehicles There are inclinometers for vehicles, consisting of a rotary pendulum, known. (read has three degrees of freedom and whose axis is normally perpendicular. Such inclinometers can be found, for example use as navigation devices for aircraft. In these known gyroscopes the center of gravity of the centrifugal pendulum is below the intersection of the cardan axes the suspension, which brings about the adjustment of the gyro axis to the vertical will.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen Kreiselneigungstnesser für Fahrzeuge, beispielsweise Eisenbahnwagen, zu schaffen, die in der Bewegungsrichtung starken Beschleunigungen beim Bremsen und Anfahren unterworfen sind. Mit Hilfe des Kreiselneigungsmessers lassen sich die Beträge der Schienenüberhöhung in den Kurven oder auf geraden Strecken nachprüfen.The object of the present invention is now to provide a gyroscopic inclination tester for vehicles, such as railroad cars, to provide in the direction of movement are subject to strong accelerations when braking and starting. With the help of The gyro inclinometer shows the amounts of the rail cant in the curves or check on straight stretches.

Der bekannte Kreiselneigungsmesser, bei dem der Schwerpunkt des Kreiselpendels unterhalb der zur Fahrtrichtung quer liegenden waagerechten Kippachse liegt, ist hierfür nicht brauchbar, weil die Beschleunigungen in der Fahrtrichtung auf das Kreiselgehäuse ein Drehmoment um diese waagerechte Kippachse erzeugen, auf das der Kreisel nach den bekannten Gesetzen der Kreiseldynamik mit einer Präzessionsbewegung um die Kardanachse antwortet. Diese Präzessionsbewegung hat einen im gleichen Sinne und etwa in der gleichen Größe verlaufenden Ausschlag, zur Folge, wie ihn der Kreisel bei oder zu messenden ungleichen Höhe der beiden Schienen ausführen würde. Es würde sich daher nicht unterscheiden lassen, ob die Anzeige ihre Ursache in der zu messenden seitlichen Neigung des Fahrzeuges oder in einer Beschleunigung bzw. Verzögerung in der Fahrtrichtung hat. Erfindungsgemäß wird daher einerseits die quer zur Fahrtrichtung liegende Kardanachse durch den Schwerpunkt des Kreisels und seine Kappe verlegt und anderseits die Kreiselachse durch eine von der Schwerkraft unabhängige Kraft, z. B. .durch eine Feder, in senkrechter Lage gehalten." An sich sind Kreiselapparate bekannt, bei denen das den Kreisel sowie einen Beschleunigungsmesser und Integrätor aufweisende System so aufgehängt wird, daß es sich gegenüber den waagerechten Lagerzapfen im Gleichgewichtszustand befindet. Diese bekannte Anordnung ist für den vorliegenden Zweck jedoch nicht brauchbar, weil dort das Kreiselsvstem in keiner Weise gefesselt ist, so daß es durch nichts am Umfallen innerhalb der senkrechten Fahrtrichtungsebene gehindert würde. Beim Erfindungsgegenstand geschieht dies jedoch durch die von der Schwerkraft unabhängige Kraft. Der für gewöhnlich waagerechte Kardanring kann in seiner waagerechten Lage oder in seiner Parallelstellung zum Boden des Fahrzeuges ebenfalls durch eine Feder oder andere von der Schwerkraft unabhängige Kräfte gefesselt werden. Hierbei kann eine an sich bekannte Nachlaufvorrichtung angeordnet werden, die, wenn sie in Gang gesetzt wird, den Befestigungspunkt dieser Feder den Winkelbewegungen des Kreisels um die Fahrtrichtungsachse folgen läßt, so daß der Zug der Feder vorübergehend unwirksam wird.The well-known gyro inclinometer, in which the center of gravity of the gyro pendulum is below the horizontal tilting axis that is transverse to the direction of travel not usable for this because the accelerations in the direction of travel affect the The gyro housing generates a torque around this horizontal tilt axis to which the Gyroscope according to the well-known laws of gyroscopic dynamics with a precession movement answers around the cardan axis. This precession movement has one in the same vein and a rash of roughly the same size as the top would run at or to be measured unequal height of the two rails. It would it is therefore not possible to distinguish whether the cause of the display is the one to be measured lateral inclination of the vehicle or in an acceleration or deceleration in the direction of travel. According to the invention, on the one hand, the direction transverse to the direction of travel horizontal cardan axis relocated through the center of gravity of the gyro and its cap and on the other hand the gyro axis by a force independent of gravity, z. B. held in a vertical position by a spring known to have the gyro and an accelerometer and integrator having system is suspended so that it is opposite the horizontal bearing pin is in equilibrium. This known arrangement is for the present Purpose, however, not usable, because the gyro system is not tied up there in any way is so that nothing will fall over within the vertical plane of travel would be prevented. In the subject matter of the invention, however, this is done by the Gravity independent force. The for usually horizontal gimbals can be in its horizontal position or in its parallel position to the floor of the vehicle also bound by a spring or other force independent of gravity will. A tracking device known per se can be arranged here, which, when started, is the point of attachment of this spring to the angular movements the gyro to follow the direction of travel axis, so that the train of the spring temporarily becomes ineffective.

Die Zeichnung zeigt in Abb. i eine Draufsicht auf eine bekannte Kreiselvorrichtung, in Abb. 2 bis 5 schematisch dargestellte Ausführungsformen des Gegenstandes der Erfindung, und zwar: Abb. 2 eine der Abb. i entsprechende Draufsicht, Abb. 3 und 5 zwei verschiedene Saitenansichten und Abb.4 eine schaubildliche Darstellung. Das Kreiselgehäuse i (Abb. i) ist, wie üblich, mit zwei Zapfen :2 und 3 im Kardanring d. schwingend gelagert, der seinerseits in einem mit dem Fahrzeug fest verbundenen Gestell um zwei andere Zapfen 5 und 6 drehbar ist. In Abb. 2 bis 5 ist angenommen, ,daß die Kreiselkappe nebst Inhalt mit Bezug auf Erd- und andere Beschleunigungen indifferent gelagert ist. Statt dessen ist, wie aus der Zeichnung nicht ersichtlich, der Kardanring .I in dem Sinne gewichtsbeschwert, daß er um die Achse 5, 6 pendeln kann, aber in der Ruhelage die Achse 2, 3 horizontal liegt. Hierbei könnte selbstverständlich infolge der indifferenten Lagerung des Kreisels um die Achse 2, 3 die Kreiselachse innerhalb der Fahrtrichtung umfallen. Das aber äst in der aus Abb. 3 ersichtlichen `''eise dadurch verhindert, daß der Kardanring :I einen Bügel 9 (Abb. 5) trägt, der in seinem obersten Punkt eine kleine Bohrung io hat. Durch diese tritt ein auf der Kreiselachse befestigter Stahldraht i i hindurch, der eine sanfte Federfesselung der Kreiselachse an den Bügel 9 und damit an den Kardanring d. bewirkt.The drawing shows in Fig. I a plan view of a known gyroscope device, in Fig. 2 to 5 schematically illustrated embodiments of the subject matter of Invention, namely: Fig. 2 is a plan view corresponding to Fig. I, Fig. 3 and Figure 5 shows two different views of the strings and Figure 4 shows a graphical representation. That The rotor housing i (Fig. I) is, as usual, with two pins: 2 and 3 in the cardan ring d. mounted swinging, which in turn in a firmly connected to the vehicle Frame is rotatable about two other pins 5 and 6. In Fig. 2 to 5 it is assumed that the gyro cap and its content with reference to earth and other accelerations is indifferent. Instead, as cannot be seen from the drawing, the cardan ring .I weighted in the sense that it oscillates about the axis 5, 6 can, but in the rest position the axis 2, 3 is horizontal. This could of course due to the indifferent mounting of the gyro around the axis 2, 3 the gyro axis fall over in the direction of travel. But this is shown in Fig. 3 This is prevented by the fact that the cardan ring: I carries a bracket 9 (Fig. 5), which has a small hole in its uppermost point. Through this one occurs The steel wire attached to the axis of the gyroscope is a soft spring shackle the gyro axis to the bracket 9 and thus to the cardan ring d. causes.

Aus Abb. 3 und 5 ist ohne weiteres ersichtlich, daß nunmehr alle Beschleunigungen in der durch den Pfeil 7 (Abb. 3) dargestellten Fahrtrichtung keinen Einfluß auf die Stellung der Kreiselachse ausüben. Freilich wird die Stellung der Kreiselachse mit Bezug auf Drehungen um die Achse 2, 3 nunmehr von dein Winkel abhängig, den die Schienen in der Fahrtrichtung gegen die Horizontale bilden, mit anderen Worten, vom Steigen und Fallen <der Fahrbahn, was bei der in Abb. i dargestellten bekannten Anordnung nicht der Fall ist. Diese Abhängigkeit vom Gefälle ist aber das kleinere Übel, denn einmal sind ,diese Winkel bedeutend kleiner als die Schwankungen der scheinbaren Schwere infolge der eingangs erwähnten Beschleunigungen in der Fahrtrichtung, weiter sind, insbesondere bei Eisenbahnstrecken, die Übergänge von einem Gefällewinkel zum anderen bedeutend sanfter als die Geschwindigkeitsänderungen und rufen deshalb weit geringere Anzei.gestör urigen hervor als jene, und endlich ist es für die anzustellenden Messungen der Überhöhungswinkel, die z. B. durch einen Zeiger 12 atn Zapfen 6 (Abb. 3) und eine nicht mit dargestellte Teilung geschehen können, gleichgültig, ob die Kreiselachse in der anderen für die Messung nicht in Betracht kommenden Ebene genau senkrecht steht oder nicht.From Fig. 3 and 5 it can be readily seen that now all accelerations in the direction of travel shown by arrow 7 (Fig. 3) exercise the position of the gyro axis. Of course, the position of the gyro axis is with respect to rotations about the axis 2, 3 now dependent on your angle, the form the rails in the direction of travel against the horizontal, in other words, from rising and falling <of the roadway, which is known in the case of the one shown in Fig. i Arrangement is not the case. However, this dependence on the gradient is the smaller Bad, because once, these angles are significantly smaller than the fluctuations of the apparent severity as a result of the aforementioned accelerations in the direction of travel, further, especially on railway lines, are the transitions from an angle of incline on the other hand, it is significantly gentler than the changes in speed and therefore calls Far less disruptive advertisements than those, and finally it is for those who are to be employed Measurements of the superelevation angles, the z. B. by a pointer 12 atn pin 6 (Fig. 3) and a division not shown can happen, regardless of whether the Gyro axis exactly in the other plane not considered for the measurement is vertical or not.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht also darin, daß die Beschleunigungsdrücke innerhalb der einen, nicht zur 'Messung lierangezogenen senkrechten Ebene, die sich infolge der Kreiselpräzession in der anderen senkrechten Ebene störend auswirken, durch Verwendung einer an sich bekannten Federfesselung anstatt einer Gewichtsfesselung unschädlich gemacht werden. Ist die Stärke der Federfesselung richtig gewählt, nämlich von der Größenordnung der Gewichtsfesselung des Kardanrin:ges d., so stellt die Schwingungskurve des Achsenendes einen Kreis oder eine Ellipse von nicht sehr ungleichen Hauptachsen dar, so daß zur Dämpfung des Einschwingens die bekannten Mittel, wie z. I;. kreisförmige Flüssigkeitsrinne mit verzögertem Durchffuß, ohne weiteres verwendbar sind.The basic idea of the invention is that the acceleration pressures within the one vertical plane that is not used for the measurement, which is have a disruptive effect due to the gyroscopic precision in the other vertical plane, by using a spring restraint known per se instead of a weight restraint be rendered harmless. Is the strength of the spring restraint chosen correctly, namely of the order of magnitude of the weight restraint of the gimbal: ges d., so represents the Oscillation curve of the end of the axis is a circle or an ellipse of not very unequal Main axes represent, so that the known means, such as z. I ;. circular liquid channel with delayed flow, easily usable are.

Der vorerwähnte Nachteil läßt sich übrigens auch noch vermeiden, indem auch der Kardanring d. eine Federfesselung anstatt der Gewichtsfesselung erhält. Eine. solche ist in Abb. z und d. schematisch durch die punktierte Schraubenfederi3 angedeutet, die mit einem Ende am Kardanring in der Nähe des Zapfens 3 angreift, während das andere Ende an einem Pfosten 14 befestigt ist, der starr mit der Unterlage verbunden ist, so daß im normalen Ruhestand die Feder 13 den Kardanring d. in der Horizontallage erhält. Alle seitlichen Beschleunigungsdrücke sind dann unwirksam, und die Änderungen des I Tlierhöhungswink els können trotz der Federfesselung gemessen werden, weil die durch <den Zug der Feder 13 beim Auftreten von Überhöhungen ausgelösten Prä 7essionsbewegungen anfänglich in der nicht zur 11essung benutzten Ebene verlaufen, ini allgemeinen aber sich so langsam abspielen, daß sie nicht stören. Demnach haben zwar die Messungen oder Aufzeichnungen in solchen Fällen eine sich langsam ändernde Nullinie, doch lieben sich trotzdem die einzelnen Abweichungen der Überhöhungen von Aden vorgeschriebenen Werten deutlich ab, weil sie viel rascher verlaufen. Indessen kann man auch diesen Mangel noch dadurch beseitigen, ,daß der Punkt i4 (Abb. 2) von den Ouerneigungen des Wagenbodens zeitweise unabhängig gemacht wird. Man braucht nur um die Achse 5, 6 eine ä\aclidrelivorriclitung (Abb.4) anzuordnen, wie solche aus der Kompaßtechnik bekannt sind.The aforementioned disadvantage can also be avoided by the fact that the cardan ring d. receives a spring restraint instead of the weight restraint. One. such is in Fig. z and d. indicated schematically by the dotted coil springi3, which engages with one end on the gimbal in the vicinity of the pin 3, while the other end is attached to a post 14 which is rigidly connected to the base, so that in normal rest, the spring 13 the gimbal d. in the horizontal position. All lateral acceleration pressures are then ineffective, and the changes in the angle of elevation can be measured in spite of the suspension of the spring, because the pre-tensioning movements triggered by the tension of the spring 13 when excessive elevations occur initially run in the plane not used for measurement, but in general play so slowly that they do not interfere. Accordingly, although the measurements or recordings in such cases have a slowly changing zero line, the individual deviations of the peaks from Aden prescribed values nevertheless decrease significantly because they run much faster. However, this deficiency can also be remedied by making point 14 (Fig. 2) temporarily independent of the inclination of the wagon floor. One only needs to arrange a relative reference line (Fig. 4) around the axis 5, 6, as is known from compass technology.

Ein (lerartiges Ausführungsbeispiel ist in schaubildlicher Darstellung in Abb. d gezeigt. Die Bezugsziffern entsprechen denjenigen,der Alb. i bis 3.A (ler-like exemplary embodiment is shown in a diagrammatic representation shown in fig d. The reference numbers correspond to those of the Alb. i to 3.

Während bei der Ausführungsform nach Abb. 2 die Feder 13 an einem festen Punkt 1.4 des Fahrzeuges angreift, ist sie hier an einem Arm 14' befestigt, der um die in (ler Fahrtrichtung liegende Kardanachse der Kreiselaufhiingung nachgedreht wird. Zu dieseln Zweck ist der Arm 1.1.' an einem um die ochse 5 schwenkbar gelagerten Teil 15 befestigt, dessen Lagerzapfen in einem Bock 16 ruht. Die Nachdrehung erfolgt durch einen Elektromotor 17, der durch eine fest auf der Achse 5 sitzende Kontaktscheibe i ig mit den Kontakten 19 und 2o überwacht wird. Diese beiden Kontakte Izönnen mit Kontaktbürsten 2r und -22 in Stromschluß treten, die in nicht iiäher dargestellter Weise von dem Zapfen 5 getragen werden und mit dein Kardanring .l mitschwingen. je nachdem, ob die eine oder die an(iere der beiden Kontaktbürsten 21 und 22 in Stronischluß mit den Kontakten 1g und 20 tritt, führt der Motor 17 eine Rechts- oder Linksdrehung aus, so daß er bestrebt ist, den Arin 14' stets in der Ebene des Kardanringes .f zu halten. Der Nachdrelimotor lädt sich ausschalten, so daß der Arm 1.4' frei um die Achse 5, 6 pendeln und parallel zum Fahrzeugboden eingestellt «-erden kann.While in the embodiment of Fig. 2, the spring 13 on one attacks fixed point 1.4 of the vehicle, it is attached to an arm 14 'here, rotated around the gimbal axis of the gyro suspension in the direction of travel will. For this purpose the arm is 1.1. ' on one pivoted about the ox 5 Part 15 attached, the bearing pin of which rests in a bracket 16. The subsequent rotation takes place by an electric motor 17, which is driven by a contact disk that is firmly seated on the axis 5 i ig is monitored with contacts 19 and 2o. These two contacts can be used Contact brushes 2r and -22 come into current connection, which is not shown in more detail Way are carried by the pin 5 and swing with your cardan ring .l. depending on whether one or the other of the two contact brushes 21 and 22 in Stronischluß with the contacts 1g and 20 occurs, the motor 17 performs a right or left turn, so that it strives to keep the Arin 14 'always in the plane of the Gimbal ring .f to hold. The Nachdrelimotor loads itself off, so that the Swing arm 1.4 'freely around axis 5, 6 and set parallel to the vehicle floor «-Can earth.

Der äußere Stützpunkt für die Feder 13 ist also auf dem nachgedrehten Teil 1.l' angebracht, und dieser erhält eine solche Gewiclitsverteilung, daß er bei ausgeschaltetem '_Jotor 17 den Arm 1.1.' in die Horizontalebene des Kreiselapparates stellt, während bei eingeschaltetem Motor 17 die Stellung des nachgedrehten Teils 1d.' zum Wagenboden die gleiche ist wie diejenige des Kreisels. Dann ist der Kreisel kräftefrei um die Achse 5, 6 gelagert, wenn .:der Nachdrehmotor läuft, ist aber den Einwirkungen der Schwerkraft und der Seitenbeschleunigungen durch den Zug (ler Feder 13 mittelbar unterworfen, wenn der Nachdrehniotor stillsteht und somit der den Stützpunkt tragende Teil 14' frei tun die Achse 5, 6 pendeln kann.The outer support point for the spring 13 is therefore on the rotated one Part 1.l 'attached, and this receives such a weight distribution that he with the '_Jotor 17 switched off, the arm 1.1.' in the horizontal plane of the gyroscope represents, while with the motor 17 switched on, the position of the rotated part 1d. ' to the floor of the car is the same as that of the top. Then the top is Bearing free of forces around the axis 5, 6, if.: the post-rotation motor is running, but is the effects of gravity and lateral acceleration caused by the train (ler Spring 13 indirectly subjected when the Nachdrehniotor stands still and thus the the support point supporting part 14 'freely do the axis 5, 6 can swing.

Auch bei dieser Anordnung kann, wie oben bei Abb.2 besprochen, der Kreisel für Dreliungen uni die Achse 5, 6 mit dem Fahrzeug elastisch gefesselt und den Einwirkungen der Seitenbeschleunigungen entzogen werden, indem einfach der sonst nachgedrehte Teil 1.4' durch eine Feststellvorrichtung unbeweglich reit dem Wagenboden verbunden wird. Der Vorteil dieser Einrichtung liegt darin. d.aß der eine Freiheitsgrad des Kreisels nach Belieben, z. B. während der Anlauf- und Einschwin.gperiode, gefesselt oder, z. B. bei den Messungen und Aufzeichnungen, frei gemacht werden kann, ohne daß irgendwelche Handhabungen am Kreisel selbst vorgenommen werden müßten, die ihn aus seiner Lage drehen könnten.With this arrangement, too, as discussed above in Figure 2, the Gyroscope for drelings uni the axis 5, 6 with the vehicle elastically tied and can be withdrawn from the effects of lateral acceleration by simply using the otherwise After-turned part 1.4 'immovable by a locking device rides the car floor is connected. The advantage of this facility is that. d. that one degree of freedom of the gyro at will, z. B. during the start-up and settling period or, e.g. B. in measurements and records, can be made freely without that any manipulations would have to be carried out on the gyroscope, which would make him could turn out of position.

Claims

PATEN TANSPRLTCHE: i. Gyroscope inclinometer for vehicles with a generally vertical gyro axis and cardanic suspension, in which the gyro under the action of a force independent of gravity, e.g. B. a spring, is characterized in that on the one hand the transverse to the direction of travel Kar.danachse (2) runs through the center of gravity of the gyro and its cap (i), and that on the other hand, the force independent of gravity, z. B. the spring (left) is arranged so that it .the said gyro axis (2) holds in its rest position,

2. Gyroscopic inclinometer according to claim i, characterized in that that the force, which is independent of gravity, comes from a force on the top of the gyro attached resilient pin (1i) (Fig.3 and 5), which is in a hole of a Approach (9) of the Kar-dan ring (d.), Which is horizontal in its initial position, engages.

3. Gyroscope according to claim i or 2, characterized in that the usually horizontal KarAanring (q.) in its horizontal position or in its parallel position to the floor of the vehicle by a lateral spring (13) (Fig.2 and d.) or others is shackled by forces independent of gravity. .f. Gyroscope according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the one acting on the horizontal cardan ring (.1) Spring (13) (Fig. Q.) Attached to a known Nachdrehvor direction (17) is that, when started, the point of attachment is the angular movements Follow the gyro to the direction of travel axis loads to pull the spring (13) temporarily to render ineffective.