DE544947C - Einrichtung zur gedaempften Stabilisierung von Koerpern, z. B. von Luft- und Wasserfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die gedämpfte Stabilisierung größerer Körper, z. B. von Luft- und Wasserfahrzeugen oder von auf schwankender Unterlage gelagerten Geraten, deren Stabilisierung erwünscht ist.

Es ist bekannt, daß Richtungsgeber, z. B. Kreisel, die durch Störungen in der Stabilitätslage des zu stabilisierenden Körpers erregt werden, Zwischensteuerorgane beeinflüssen, die ihrerseits wiederum die eigentliche Steuerung erregen, z. B. elektrische, hydraulische oder pneumatische Wendemotoren, die, z. B. bei Luft- und Wasserfahrzeugen, auf Steuerflächen wirken oder auch durch Gewichtsverschiebung die Stabilitätslage erhalten bzw. wiederherstellen oder endlich dadurch wirken, daß sie Drehmomente gegen außerhalb der Masse befindliche Widerlager erzeugen.

Es ist ferner bekannt, Körper durch Kreisel zu stabilisieren oder auch durch Nachlaufmotoren oder Folgezeiger zu stabilisieren. Auch bei diesen bekannten Einrichtungen werden die Präzessionsbewegungen durch zusätzliche Kräfte oder durch zusätzliche Änderungen in der Schwerpunktslage des Körpers beeinflußt. Diese zusätzlichen Kräfte werden hier in Abhängigkeit von der störenden Kraft und deren erstem Zeitintegral gebracht, und zwar durch mehr oder weniger getrennte Arbeitsgänge, und dadurch, vorkommendenfalls auch einseitige Lästigkeiten ausgeglichen.

Die Erfindung unterscheidet sich von dem Bekannten ganz wesentlich. Wenn man schwere Massen mit großem Trägheitsmoment mit Kreiseln verhältnismäßig kleinen Impulses stabilisieren will, dann darf man diese Kreisel nicht starr auf dem zu stabilisierenden Körper lagern, oder wenn man dieses in bezug auf eine Achse tun muß, dann muß man zweckmäßig die Präzessionsbewegung des Kreisels so dämpfen, daß wenigstens angenähert der Präzessionswinkel proportional dem Ablenkungswinkel des Körpers aus seiner Stabilitätslage wird. Dadurch aber werden die Bedingungen für die Präzessionsbewegung selbst stark geändert. Es ist dabei ganz gleichgültig, ob man den Kreisel mit einer Achse fest mit dem Körper verbindet und die Präzessionsachse dämpft, und zwar mit einer Dämpfung, deren Intensität angenähert proportional der Winkelgeschwindigkeit der Präzession ist, oder ob man die Lagerachse des Kreisels mit dem zu stabilisierenden Körper durch eine solche Dämpfungseinrichtung verbindet und die Präzessionsbewegung selbst ungedämpft läßt. In beiden Fällen entspricht dann der Drehwinkel der Lagerachse gegen den Körper oder der gedämpfte Präzessionswinkel des Kreisels dem zweiten Zeitintegral der Störungskraft und die Ablenkungsgeschwindigkeit bzw, die Präzessionsgeschwindigkeit dem ersten Zeitintegral. Eine solche Einrichtung hat u. a. den großen Vorteil, daß die Prä-Zessionsbewegungen des Kreisels sehr stark gedämpft sind. Dieser Umstand wird um so wichtiger, je größer das Trägheitsmoment

der zu stabilisierenden Massen gegenüber dem Impuls des Stabilisierungskreisels ist. Erreicht dieses Verhältnis eine gewisse Größe, dann läßt sich ein Körper durch einen Kreisel mit ungedämpfter Präzessionsbewegung nicht mehr stabilisieren, sondern es treten Resonanzschwingungen auf, die durch einfache Mittel nicht zu beseitigen sind. Unter diesen Voraussetzungen also ist das Hauptbestimmungsstück der Erfindung der Ablenkungswinkel des zu stabilisierenden Körpers, mithin das zweite Zeitintegral der störenden Kraft. ·

Das im weiteren beschriebene Ausführungsbeispiel hat die Eigenschaft, in einem Arbeitsgang und mit denselben Mitteln einen auftretenden Ablenkungswinkel mit großer Dämpfung zu eliminieren, und zwar ganz gleichgültig, wie die jeweilige Kraftverteilung ist. Infolgedessen ist auch der Nullpunkt des Gerätes nicht identisch mit dem Nullpunkt des Steuers, also mit der Nullgröße des Ablenkungswinkels.

Die wesentlichen Merkmale eines solchen Gerätes, das im wesentlichen stets ein Schaltrelais darstellt, sind ein Schaltglied am Meßgerät, dem ein geschaltetes Glied am zu stabilisierenden Körper gegenübersteht. Für dieses geschaltete Glied ist erforderlich, daß es aus einem drehbaren Schaltempfänger besteht, dessen Achse durch einen Momenterzeuger unabhängig von der Steuermaschine gedreht wird, welcher seinerseits gedämpft ist, und zwar mit einer von seiner Drehgeschwindigkeit abhängigen Dämpfungsintensität, und außerdem durch ein elastisches Glied stets in seine Nullage, und zwar sehr stark gedämpft, zurückgeführt wird.

Es ist eine selbsttätige Flugzeugsteuerung bekannt, bei welcher eine von den Bewegungen der Steuermaschine abhängige Rückführvorrichtung vorhanden ist, die auf einen Steuerschieber einwirkt. Eine solche Steuervorrichtung hat gegenüber der Vorrichtung nach der Erfindung den Nachteil, daß zwischen den Flugzeugbewegungen und den Steuerbewegungen eine erhebliche schädliche Phasenverschiebung eintritt.

Der Schaltvorgang erstreckt sich bei der Einrichtung nach der Erfindung nicht nur auf die Beeinflussung der obenerwähnten äußeren Kräfte (Stützkräfte), sondern auch wenigstens in einem Ast der Bewegung auf Beeinflussung des Momenterzeugers, und zwar in der Weise, daß der Momenterzeuger bestrebt ist, die eingeleitete Schaltung wieder aufzuheben.

Das im folgenden angeführte Ausführungsbeispiel schildert eine elektrische Einrichtung. Sie kann aber auch sinngemäß auf anderem Wege, etwa hydraulisch oder pneumatisch, bewerkstelligt werden. Ebenso ist es nicht unbedingt erforderlich, daß das Meßgerät ein Kreisel ist, sondern es kann auch z. B. der Empfänger eines Gebersystems oder ein Geschwindigkeitsmesser oder ein Höhenmesser oder sonstiges einen physikalischen Zustand anzeigendes Gerät sein.

Auf der Zeichnung ist in Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Kreiselstabilisierungseinrichtung nach der Erfindung schematisch dargestellt.

Fig. 2 zeigt die an den Enden der Einrichtung befindliche elastische Fesselung in Stirnansicht.

Fig. 3 ist ein Schaltschema eines zu der Einrichtung gehörigen Momenterzeugers.

Als richtunggebendes System sind in dem Ausführungsbeispiel Kreisel angenommen, und zwar Kreisel mit einem Präzessionsfreiheitsgrad, der durch eine Nullfeder beschränkt ist. Außerdem ist ihre Präzessionsbewegung, durch beispielsweise eine Flüssigkeitsdämpfung, in Abhängigkeit von der Präzessionsgeschwindigkeit gedämpft. Bei einem Kreisel mit zwei Präzessionsfreiheitsgraden kann selbstverständlich die Dämpfung des Kreisels oder Kreiselaggregates auch um die andere Präzessionsachse erfolgen. Bedingung ist jedoch in beiden Fällen, daß die Dämpfungsgröße wenigstens angenähert proportional der Drehgeschwindigkeit um die Achse ist. Ein solcher Kreisel oder ein solches Kreiselaggregat (etwa ein Trägheitsrahmen) 1 besitzt einen Kontaktarm 2, der über eine Kontaktbahn 3 schleift. Diese Kontaktbahn steht aber nicht fest, sondern ist um eine zur Präzessionsachse 4 parallele Achse 5 drehbar. Auf der Achse 5 des Kontaktsegmentes befindet sich der Anker 6 in einem umkehrbaren Feld 7 eines elektromagnetischen Momenterzeugers, der durch die Kontaktgabe in solchem Sinne erregt wird, daß das Kontaktsegment 3 den Kontakt wieder zu öffnen bestrebt ist.

Der Anker dieses Momenterzeugers wird durch eine Nullfeder 8 elastisch in einer bestimmten Nullage erhalten, wenn der Momenterzeuger nicht erregt ist. Die Feder wirkt auf Arme 9, die mittels Schrauben 10 um Achsen 11 einstellbar auf Hebeln 12 gelagert sind. Zwischen die Hebel 12 greift ein Arm 13 auf der Welle 5, während ihre Ruhelage durch einen gemeinsamen Anschlag bestimmt ist. Gleichzeitig ist die Achse 5 des Kontaktsegmentes, etwa durch eine Flüssigkeitsbremse 15, in Abhängigkeit von ihrer Drehgeschwindigkeit gedämpft.

Die Erregung des Momenterzeugers und die elastische Fesselung in der Nullage und auch die Dämpfung sind so gegeneinander ausgewogen, daß die Drehgeschwindigkeit des

Kontaktsegmentes, wenn der Momenterzeuger erregt ist, und die Drehgeschwindigkeit des Kontaktsegmentes, mit der es der Nullage bei unerregtem Momenterzeuger wieder zustrebt, in einem solchen Verhältnis zueinander stellen, daß damit die günstigste Steuerwirkung erzielt wird. Dies ist z. B. bei einem Flugzeug dann der Fall, wenn die Drehgeschwindigkeit unter dem Einfluß des Momenterzeugers wesentlich größer ist als die Drehgeschwindigkeit unter dem Einfluß der Nullfeder. Bei einem Gerät auf schwankender Unterlage sind die Verhältnisse z. B. von Fall zu Fall verschieden.

Eine weitere Bedingung für das richtige Arbeiten des Zwischensteuergliedes ist, daß die Nullfeder- eine solche Anfangsspannung hat, daß sie die mechanische Reibung des Zwischensteuergliedes überwindet, damit sie das Segment sicher in die Nullage zurückführt.

Wenn der Kontaktarm 2 des Kreisels auf dem Segment 3 den Strom schließt und so den Momenterzeuger 6, 7 erregt, schaltet er durch gleichen Kontakt z. B. das Steuerventil eines hydraulischen Zylinders oder einer pneumatischen Steuermaschine oder einen elektrischen Servomotor, z. B. über die Leitungen 16. Dadurch, daß das Kontaktsegment 3 aber vom Momenterzeuger gedreht wird, richtet sich die Dauer der Erregung des Servomotors und damit die Steuerbewegung und die von ihr abhängige Steuerlage selbst nach der relativen Bewegung des Kontaktarmes und des Segmentes. Angenommen, der Körper erfährt eine Winkelgeschwindigkeit, so gehört zu dieser Winkelgeschwindigkeit, da ja der Steuerkreisel durch eine elastische Rückführung 17, die gleich der Rückführung 8 bis 14 sein kann, in seinem Präzessionsfreiheitsgrad beschränkt ist, ein bestimmter Präzessionsausschlag. Auch die Kreiselbewegung ist durch eine Vorrichtung 18 gedämpft. (Bei einem Kreisel mit zwei Präzessionsfreiheitsgraden können die Rückführung 17 und Dämpfung 18 beliebig auf einer der beiden Präzessionsachsen sitzen.) Das Kontaktsegment wird sich daher mit einer durch die Größe der Erregung des Momenterzeugers und die Dämpfung sowie den Federzug bestimmten, von der Störungsgröße unabhängigen Geschwindigkeit drehen, so lange, bis es den Kontaktstrom wieder öffnet. Während dieser ganzen Zeit ist der Servomotor als der eigentliche Steuerantrieb ebenfalls erregt, und der resultierende Steuerausschlag ist proportional der Störungswinkelgeschwindigkeit des Körpers geworden, weil der Ausschlag des Kontaktarmes 2 gleich dem Präzessionswinkel ist und dieser von der Störungswinkelgeschwindigkeit abhängt. Angenommen, die S törungs winkelgeschwindigkeit des Körpers dauere trotz der Steuerwirkung infolge Anwachsens der Störungsgröße in unverminderter Größe an, dann wird durch die Federfesselung des Kontaktsegmentes nach Ausschalten des Zwischensteuergliedes 6, 7 eine rückläufige Drehung des Kontaktsegmentes hervorgerufen, die so lange anhält, bis sie wieder am Kontaktarm des Steuerkreisels Kontakt macht. Dadurch wird aber auch der Servomotor wieder für kurze Zeit erregt, und der Steuerausschlag vergrößert sich. Dieses Spiel wiederholt sich so lange, bis unter dem Einfluß des nun langsam wachsenden Steuerausschlages die Störungswinkelgeschwindigkeit abnimmt.

Nimmt man nun den Grenzfall an, daß die Störungswinkelgeschwindigkeit in solchem Grade abnimmt, daß die Drehgeschwindigkeit, mit welcher sich der Präzessionsausschlag des Kreisels vermindert, gleich der Drehgeschwindigkeit ist, mit welcher das Kontaktsegment unter dem Einfluß seiner elastischen Fesselung in die Nullage zurückgeht, dann bleibt für diese an sich geringe Abnahme der Winkelgeschwindigkeit der Steuerausschlag unverändert.

Erfolgt jedoch die Abnahme des Präzessionswinkels schneller als die Abnahme des Ausschlagwinkels des Kontaktsegmentes unter dem Einfluß der elastischen Fesselung, so wird in diesem Augenblick auch die Steuerbewegung selbst rückläufig, und der Steuerwinkel der Steuerfläche ist dann im Umkehrpunkt der Bewegung des Körpers bereits kleiner. Ist die Winkelgeschwindigkeit Null, so ist der Präzessionswinkel ebenfalls Null·, und das Steuer seibst ist in diesem Umkehrpunkt bereits wieder rückläufig, so daß es bei normalem Ablauf der Bewegung des Körpers früher auf seine Nullage geht als der Körper selbst und dadurch die Bewegung des Körpers sehr energisch dämpft. Durch diese Einrichtung wird wirksam die sogenannte Übersteuerung vermieden. Es sind auch Einrichtungen getroffen, welche gestatten, das gegenseitige Verhältnis von Drehmoment des Momenterzeugers und Federfesselung des Kontaktsegmentes dem Zweck entsprechend zu regeln, z. B. durch die Schrauben 10 oder durch einen Regelwiderstand im Stromkreis der Zwischensteuervorrichtung 6, 7.

Tritt nun eine stationäre Unbalance auf (etwa ein Flugzeug sei kopflastig), dann spielt sich der Vorgang folgendermaßen ab:

Durch die Kopflast des Flugzeuges sucht dieses nach unten zu drehen. Der Kreisel präzediert und schaltet über die Kontaktvorrichtung 2, 3 den Steuermotor ein, und zwar so lange, bis durch das Moment der

Steuerstellung die Kopflast ausgewogen ist. Von jetzt an nimmt die Drehgeschwindigkeit, welche durch die Kopflast hervorgerufen wurde, durch den Luftwiderstand ab, aber langsamer, als dies bei der gleichen Steuerstellung ohne Kopflast der Fall wäre. Das Steuer wird also weniger zurückgehen und beim Aufhören der Drehgeschwindigkeit infolge der Kopflast nicht auf Null stehen, sonto dem noch einen bestimmten Ausschlag haben, der sehr rasch diejenige Größe annimmt, bei welcher die Kopflast ausgeglichen ist. Diese Stellung der Steuerfläche ist aber, solange der kopflastige Zustand anhält, das eigentliche Steuernull, um welche Lage herum jetzt die für die Stabilitätserhaltung nötigen Steuerbewegungen ausgeführt werden.

Da man aber auch andere Bezugsgrößen beim Flugzeug, etwa die Geschwindigkeit und den vertikalen Beschleunigungszustand oder ganz allgemein auch die Lage zum Schwerefeld oder Meridian, zur Stabilisierung heranziehen kann, so kann man nach der Erfindung derartige Bezugsgrößen neben den Kontaktorganen des Kreisels erregend auf den Momenterzeuger des Zwischensteuergliedes einwirken lassen, so daß in diesem Falle dann die Nullstellung des Kontaktsegmentes nicht mit der Nullstellung des Kreisels übereinstimmt, und auf diese Weise selbsttätig jeder beliebige Einfluß auf die Steuerung genommen werden kann.

Man kann natürlich auch diese anderen Bezugsgrößen auf ein ähnliches Zwischensteuerglied einwirken lassen, das dem Zwischensteuerglied 6, 7 vorgeschaltet ist, was dann zur Folge hat, daß in der Einwirkung dieser anderen Bezugsgrößen eine Voreilung eintritt, welche ebenfalls auf den zu stabilisierenden Körper dämpfend wirkt. Man denke sich z. B. als Bezugsgröße ein Lagenpendel. Die Maschine sei nach vorn geneigt, so erregt das Pendel den Momenterzeuger des Zwischensteuergliedes der eigentlichen Steuermaschine über den Momenterzeuger seines eigenen Zwischensteuergliedes. Wenn nun das Flugzeug seine stationäre Neigung verläßt, d. h. wenn also die Steuerung genügt hat, dann würde die Erregung des Zwischensteuergliedes 6, 7 ohne das vorgeschaltete Zwischensteuerglied bei einem einfachen Lagenpendel so lange andauern, bis das Flugzeug wieder in seine richtige Lage zurückgekehrt ist. Ist aber das Lagenpendel selbst mit einem Zwischensteuerglied ausgerüstet, dann kehrt auch die Momenterregung ihr Vorzeichen um und beeinflußt das eigentliche Zwischensteuerglied ebenfalls im umgekehrten Sinne, wenn auch in schwächerem Maße, so daß eine gedämpfte Rückkehr in die Sta* bilitätslage stattfindet.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   ι . Einrichtung zur gedämpften Stabilisierung von Körpern, z. B. von Luft- und Wasserfahrzeugen oder von auf schwankender Unterlage gelagerten Geräten, z. B. mittels auf Zwischensteuerorgane wirkender Kreisel, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Stabilisierungsgröße verstellte Steuerglied, z. B. ein Kontaktarm (2), mit einem beweglichen Steuerglied, z.B. einem Kontaktsegment (3), zusammenwirkt, welche Steuerglieder gleichzeitig die Steuermaschine und eine von der Steuermaschine selbst unabhängige, das zweite Steuerglied (3) antreibende, gedämpfte Nachlauf- und Rückführungsvorrichtung (6 bis 15) steuern. 80,
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Momenterzeuger (6, 7) auf der Achse des nachlaufenden Steuergliedes (3), der auf dieses ein regelbares Nachlauf- und Rückführmoment auszuüben gestattet.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch eine mit dem Momenterzeuger (6, 7) gekuppelte, in ihrer Wirkung von seiner Drehgeschwindigkeit abhängige Dämpfung, z. B. eine Flüssigkeitsdämpfung (15).
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen umsteuerbaren elektromagnetischen, regelbaren Momenterzeuger (6, 7) mit einer durch eine elastische Feder (8) regelbaren Rückführung (8 bis 14).

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen