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Kreiselpendel zur Ermittlung der Schwerkraftsrichtung oder des Horizontes
auf Fahrzeugen oder ähnlich bewegten Körpern Bekanntlich sind Kreiselpendel, die
unter dem Einfluß der Schwerkraft in eine bestimmte Nullage einschwingen, bestrebt,
diese Nullage _infolge von auf sie einwirkenden Beschleunigungskräften zu veranlassen.
Um die Apparate gegen die kurzperiodischen Beschleunigungen, die beim Schlingern
und Stampfen des Fahrzeuges auftreten, unempfindlich zu machen, genügt es, ihnen
eine Eigenschwingungsdauer von wenigen Minuten zu geben. Weil nämlich die Schlinger-
. und Stampfperioden nur eine Dauer von höchstens 20 Sekunden haben, befindet sich
bei: einem derartigen Apparat die anregende Frequenz der Schlinger- und Stampfperioden
schon so weit jenseits der Resonanzfrequenz, daß merkliche Fehlausschläge nicht
entstehen. Es treten aber auch längere Störungsperioden auf, etwa wenn ein Schiff
im Kreise fährt, oder auch einseitige Störungen, wenn beispielsweise das Fahrzeug
längere Zeit hindurch seine Fahrt steigert oder verlangsamt. Gegen derartige Zentrifugal-
und Bahnbeschleunigungen sind auch Apparate mit mehreren Minuten Schwingungsdauer
empfindlich. Es ist bekannt, daß die Schwingungsdauer auf 84Minuten erhöht werden
muß, um jeden störenden Einfluß der Beschleunigungen auszuschließen. Bei auf Schiffen,
Flugzeugen o. dgl. zur Anzeige der Schwerkraftsrichtung bzw. des Horizontes befindlichen
Apparaten hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Eigenschwingungsdauer nur so
groß zu wählen, daß sie oberhalb der verhältnismäßig kurzen Schwingungszeit der
Schlinger- und Stampfbewegungen dieser Fahrzeuge liegt, ohne dadurch erreichen zu
können, daß sie gegen Störungen durch die meist längere Zeit wirkenden Beschleunigungskräfte,
die durch Geschwindigkeits-und Kursänderungen des Fahrzeuges hervorgerufen werden,
unempfindlich sind. Apparate mit großer Eigenschwingungsdauer haben nämlich den
Nachteil, erst nach längerer Zeit betriebsklar und, wenn einmal doch irgendwie eine
Störung ihrer Gleichgewichtslage eingetreten ist, oft stundenlang ungenau zu sein:
Außerdem hat auf langschwingende Kreiselapparate die Erddrehung einen schiefstellenden
Einfluß. Ein Apparat mit verhältnismäßig kurzer Schwingungsdauer hat demnach gegenüber
langschwingenden erhebliche Vorteile, wenn es gelingt, ihn der Wirkung der durch
Fahrgeschwindigkeits- und Richtungsänderungen hervorgerufenen Beschleunigungskräfte
zu entziehen.
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Es ist unmöglich, die Beschleunigungen, wie man schon oft versucht
hat, dadurch zu kompensieren, daß man sie selbst (nach Messung) oder die von ihnen
verursachten Fehl-Weisungen zur Erzeugung von Gegenmomenten benutzt. Zur genauen
Messung der Ausschläge fehlt nämlich das Bezugssystem, denn
die
wahre Vertikale oder die Horizontalebene ist auf dem Fahrzeug nicht vorhanden und
soll ja erst festgelegt werden. Kein Apparat, auf den die Schwere einen Einfluß
hat, kann die Störbeschleunigung von einer etwaigen Komponente der Erdbeschleunigung
unterscheiden, weil -er sich stets entsprechend der Resultierenden aller dieser
durch Fahrt- oder Kursänderungen und die Erdschwere bedingten Beschleunigungen einstellt.
-Es sind jedoch auch Apparate bekanntgeworden, bei denen zum Ausgleich der Beschleunigungskräfte
an einem Pendel oder Kreiselpendel verschiebbar oder drehbar gelagerte Massen entsprechend
außerhalb des Pendelsystems ermittelten Steuergrößen eingestellt werden, jedoch
sind dabei die für die Einstellung verwendeten Steuergrößen sehr schwer zu ermitteln,
oder es werden dabei nur die in der Fahrtrichtung wirksamen Beschleunigungskräfte
ausgeglichen.
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Die Erfindung bezweckt unter Vermeidung dieser Nachteile, in verhältnismäßig
einfacher Weise und mit großer Genauigkeit sowohl die durch Änderungen der Fahrgeschwindigkeit
hervorgerufenen Beschleunigungskräfte als auch die senkrecht zur Fahrtrichtung bei
Kursänderungen auftretenden Beschleunigungskräfte auszugleichen. Erfindungsgemäß
sind an einem auf Fahrzeugen oder ähnlich bewegten Körpern die Schwerkraftsrichtung
bzw. den Horizont anzeigenden Kreiselpendel ein oder mehrere in Abhängigkeit von
der Bewegungsgeschwindigkeit des Körpers schwenkbare Kreisel derart gelagert, daß
sie stets einen in derHorizontalebene liegenden und zur Bewegungsrichtung des Körpers
senkrechten Drallvektor von solcher der jeweiligen Geschwindigkeit des Körpers entsprechender
Größe erzeugen, daß dieser bei Änderung seiner Richtung die von der Fliehkraft und
bei Änderung seiner Größe die von den Bahnbeschleunigungen an dem Kreiselpendel
hervorgerufenen störenden Momente ausgleicht.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen
veranschaulicht. Fig. r zeigt perspektivisch ein Kreiselpendel, an welchem mit Hilfe
eines einzigen Korrekturkreisels die in beiden Richtungen wirksamen Beschleunigungen
ausgeglichen werden. Die Fig. a und 3 bzw. 4 und 5 stellen in Vorder- und Seitenansicht
zwei Kreiselanordnungen dar, von denen die erstere die durch F ahrgeschwindigkeitsänderungen
und die zweite die durch Fahrtrichtungsänderungen hervorgerufenen Beschleunigungen
ausgleicht.
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Das in Fig. z dargestellte Kreiselpendel möge beispielsweise zur Anzeige
des Horizontes auf einem Schiffe dienen. Das Gehäuse eines Kreisels K mit vertikaler
Drehachse ist in üblicher Weise mittels Zapfen q-q in einem Kardanring R gelagert,
der mittels der zu den Zapfen q-q senkrechten Zapfen 1-l in den Lagerböcken bi und
b2 ruht. Letztere sind parallel zur Schiffslängsachse angeordnet, das Schiff möge
in Richtung des angegebenen Pfeiles fahren. Der Schwerpunkt S des Kreiselpendels
liegt verhältnismäßig tief unter den Kardanachsen, wodurch angedeutet ist, daß es
sich um ein Kreiselpendel mit einer Schwingungsdauer von nur wenigen Minuten handelt,
däs infolgedessen nur gegen Schlinger- und Stampfbewegungen, nicht aber gegen länger
wirkende Beschleunigungen unempfindlich ist. Auf dem Gehäuse des Kreisels K ist
auf Stützen ein Ring r befestigt, in dem ein zweiter Kreisel k gelagert ist, dessen
Gehäuse um die parallel zur Schifflängsachse liegenden Zapfen z-z durch ein fest
mit ihm verbundenes Zahnsegment s schwenkbar ist. In das Zahnsegment s greift das
Ritzel .eines Motors m ein, der vom Fahrtmesser aus selbsttätig durch Fernübertragung
oder auch von Hand entsprechend den Angaben des Fahrtmessers gesteuert wird. Durch
den Motor m wird der Kreisel k um die Zapfen z-z stets um einen der Fahrgeschwindigkeit
v entsprechenden Winkel a verdreht. Beide Kreisel K und h mögen sich, von oben gesehen,
entgegen dem Uhrzeigersinn drehen. Der Kreisel k erzeugt dabei einen Drall von der
Größe und Richtung des Vektors To. Wenn der Fahrtmesser die Geschwindigkeit v anzeigt,
sei die Drallachse um den Winkel a aus der Vertikalen herausgedreht. In der Horizontalebene
und senkrecht zur Fahrtrichtung besteht dann eine Komponente des Vektors von der
Größe 1o # sin a. Wenn sich jetzt die Fahrtgeschwindigkeit v ändert, wird gemäß
den Angaben des Fahrtmessers auch die Vektorkomponente la # sin a geändert. Dadurch
entsteht eine Kreiselwirkung um die inneren Kardanzapfen q-q des Kreiselpendels,
die parallel zur Schiffsquerachse liegen. Andererseits wirkt infolge der .Änderung
der Fahrgeschwindigkeit auf den Schwerpunkt S des Kreiselpendels die Beschleunigung
ein. Wenn M« das Richtmoment der Schwere des Kreiselpendels bedeutet, ist das von
der Änderung der Fahrgeschwindigkeit herrührende störendeMoment gleich
wobei g die Erdbeschleunignng ist. Die Gleichung
gibt also die Bedingungen an, die erfüllt sein müssen, um in jedem Falle -das durch
Änderungen - der Fahrgeschwindigkeit hervorgerufene
Störmoment
'durch die Kreiselwirkung zu kompensieren. Durch Integration ergibt sich
Die Integrationskonstante C wird . zweckmäßig gleich Null gewählt. Wenn man außerdem,
um ein Sinusgetriebe zu ersparen, die Verhältnisse so wählt, daß der Winkel a stets
nur gering bleibt, was durch geeignete Dimensionierung von Mo und To immer möglich
ist, erhält man
Wenn also der Winkel a mit dem Proportionalitätsfaktor
stets proportional der Fahrgeschwindigkeit v ist, bleiben Fahrgeschwindigkeitsänderungen
ohne Einfluß auf das Kreiselpendel. Durch die dem Kreisel k bei Änderungen der Fahrgeschwindigkeit
erteilte Zwangspräzession wird stets eine Kreiselwirkung hervorgebracht, welche
das Moment der bei Fahrgeschwindigkeitsänderungen auf den Schwerpunkt des Kreiselpendels
wirkenden Beschleunigungen ausgleicht.
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Die waagerechteVeletorkomponenteJo # sin a hebt jedoch nicht nur diese
Beschleunigungsmomente, sondern auch die Momente der bei Kursänderungen des Schiffes
senkrecht zur Fahrtrichtung entstehenden Fliehkräfte auf. Dreht sich das Schiff
beispielsweise mit der Winkelgeschwindigkeit w, so ändert auch die Vektorkomponente
Jo.sin a ihre Richtung mit dergleichen Winkelgeschwindigkeit. Dadurch entsteht eine
Kreiselwirkung um die äußeren Kardanzapfen 1-L mit dein MomentJo # sin
a # w. Andererseits wirkt auf den SchwerpunktS des Kreiselpendels dann die
Zentrifugalbeschleunigung v # w ein. Wenn 31, wieder das Schweremoment um
die äußeren Kardanzapfen 1-l bedeutet, ist das von der Fliehkraft herrührende störende
Moment gleich
Wählt man nun die Verhältnisse so, daß
wird, dann ist die Wirkung der Zentrifugalkraft durch die Kreiselwirkung stets vollständig
ausgeglichen. Es muß also sein
Für den Ausgleich der senkrecht zur Fahrtrichteng bei Kursänderungen wirkenden Zentrifugalkräfte
besteht also dieselbe Beziehung wie für den Ausgleich der in der Fahrtrichtung bei
Änderungen der Fahrgeschwindigkeit hervorgerufenen Beschleunigungskräfte. Demnach
ist es also möglich, mit einem einzigen Hilfskreisel k, der entsprechend der Fahrgeschwindigkeit
schwenkbar ist, die Wirkung der durch beide Arten von Beschleunigungskräfte an dem
Kreiselpendel" hervorgerufenen Momente zu kompensieren. Natürlich muß dann das Moment
Mo um beide Kardanachsen q-q und. 1-1 gleich groß sein, was stets ausführbar
ist.
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Durch den DrallvektorJo des Hilfskreisels k wird die Wirkungsweise
des Kreiselpendels im übrigen in keiner Weise beenflußt, weil der Hilfskreisel k
nicht frei präz edieren kann. Der -Drall des Hilfskreisels k addiert sich einfach
in jedem Falle zu dem Drall des Hauptkreisels K. Es ist jedoch ersichtlich, daß
bei großen -Fahrgeschwindigkeiten infolge der dann stärkeren Neigung des Vektors
Jo der Gesamtdrall um ein geringes Maß verkleinert wird. Auch dies kann vermieden
werden, wenn statt des einen Korrekturkreisels k zwei gegenläufige, zwangsläufig
miteinander verbundene Kreisel verwendet werden.
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Dieser Fall ist in den Fig. a und 3 für eine Kreiselanordnung dargestellt,
welche nur um die Schiffsquerachse q-q stabilisiert. Die Gehäuse zweier gegenläufiger
Kreisel K1 und K2
mit den Schwerpunkten S1 und S2 ruhen in den Hängeböcken
hl und h2- der Platte P und sind durch die beiden Zahnradsegmente Hl und u2 in Richtung
der Schiffsquerachse q-q miteinander gekuppelt, so daß ihre Präzessionsachsen parallel
zur Schiffslängsachse liegen. Sie stabilisieren daher die Plattform P gegen das
Stampfen des Schiffes um die Querachse q-q. Die -Platte P ist mittels der zueinander
senkrechten Zapfen a-a und b-b in einem waagerechten Ring r1 und in einem lotrechten
Ring r2 gelagert: Der waagerechte Ring r1 ist mittels Zapfen z1 und z1 in Richtung
der Schiffslängsachse 1-L in den Bökken bi und b2 gelagert, während der Ring y2
mittels Zapfen z2 z2 in dem zu ihm um go° versetzt angeordneten senkrechten Ring
r3 gelagert ist, der wiederum mittels Zapfen z,-z2 in Richtung der. Schiffsquerachse
q-q in den Lagerböcken b3 und b4 ruht. An der Platte P sind ferner auf den Tragstützen
t1 und t2 die Gehäuse zweiergegenläufigerHilfskreisel klundk2 angeordnet, die durch
das Stirnradsegment s1 und durch das Stirnrad s2 miteinander gekuppelt sind und
durch das mit dem Stirnrad s2 kämmende Ritzel des Motors m um einen der jeweiligen
Fahrgeschwindigkeit entsprechen-'den Winkel a im entgegengesetzten Sinne aus ihrer
waagerechten Lage und parallel zur
Schiffslängsachse geschwenkt
werden können. Da hier zwei Kreisel k1 und L vorhanden sind, muß die Kompensationsbedingung
lauten
Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß, wenn diese Bedingung erfüllt ist, durch die
beschriebene Anordnung alle von Änderungen der Fahrgeschwindigkeit an dem Kreiselpendel
herrührenden Momente ausgeglichen werden.
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Das in Fig.4 und 5 dargestellte Kreiselpendel entspricht in allen
Einzelheiten genau demjenigen nach den Fig. 3 und 4 mit dem einzigen Unterschied,
daß dieses Kreiselpendel den Horizont um die Scbiifslängsachse 1-L stabilisiert.
K1 und K2 sind wieder die beiden gegenläufigen Hauptkreisel, deren Präzessionsachsen
zu diesem Zweck nunmehr parallel zur Schiffsquerachse q-q liegen. Die beiden gegenläufigen
Korrekturkreisel k1 und r2 sind genau in der gleichen Weise angeordnet wie in den
Fig. 2 und 3. Ihre Drehachsen liegen stets parallel zur Schiffslängsachse, ganz
gleichgültig, ob das Hauptkreiselpaar zur Stabilisierung um die Längs- oder die
Querachse dient. Bei dem in den Fig. 2 und 3 dargestellten Kreiselpendel dienen
die beiden Korrekturkreisel k, -und k2 demnach zur Kompensation der durch Fahrgeschwindigkeitsänderungen
hervorgerufenen störenden Momente, während diese bei dem in den Fig. 4 und 5 dargestellten
Kreiselpendel in gleicher Weise angeordneten Korrekturkreisel zum Ausgleich der
durch die bei Fahrtrichtungsänderungen ausgelösten Fliehkräfte senkrecht zur Fahrtrichtung
bewirkten störenden Momente dienen.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnungen kann auch kurz folgendermaßen
erläutert werden: ändert sich die Geschwindigkeit des Fahrzeuges der Größe nach,
so wird die dadurch auf das Kreiselpendel ausgelöste Wirkung durch eine Änderung
des Dralles der Hilfskreisel der Größe nach aufgehoben. Ändert sich die Geschwindigkeit
des Fahrzeuges der Richtung nach, so wird die dadurch auf das Kreiselpendel ausgelöste
Momentenwirkung durch Änderung des Dralles der Richtung nach aufgehoben.
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Die Drehachsen der Korrekturkreisel, die in den beschriebenen Ausführungsformen
bei der Fahrgeschwindigkeit Null vertikal stehen, können auch waagerecht angeordnet
sein. Die Zapfen, um welche diese Kreisel entsprechend der Fahrgeschwindigkeit verschwenkt
werden, liegen dann waagerecht. Auch auf diese Weise läßt sich eine waagerechte,
senkrecht zur Fahrtrichtung liegende Komponente des Drall-' veltors der Hilfskreisel
erzeugen. Dieser Drallvektor der Hilfskreisel hat nur bei Änderungen der Fahrt,
der Größe oder Richtung nach einen Einfluß auf das Kreiselpendel, im übrigen werden
die Funktionen des Kreiselpendels durch ihn in keiner Weise beeinflußt oder gestört.