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Kreiselkompaß für Fahrzeuge Die Erfindung betrifft den Ausgleich der
Fahrtfehler und der ballistischen Fehler bei auf Fahrzeugen angeordneten Kreiselkompassen,
welche der Schwerkraftskontrolle unterliegen. Die Richtkraft, welche einen derartigen
Kreiselkompaß in die Nord-Süd-Richtung einstellt, hängt von der Umdrehungsgeschwindigkeit
der Erde ab. Befindet sich der Kreiselkompaß auf einem Fahrzeug, so empfindet er
die Bewegung des Fahrzeuges auf der Erde als eine zusätzliche Drehgeschwindigkeit
zur Drehgeschwindigkeit der Erde und stellt sich demzufolge nach der von der Resultierenden
beider Drehgeschwindigkeiten bestimmten Richtkraft ein. Die dabei entstehende Abweichung
von der Nord-Süd-Richtung wird als Fahrtfehler des Kompasses bezeichnet. Dessen
Größe ist direkt proportional der Fahrgeschwindigkeit in der Nord-Süd-Richtung und
umgekehrt proportional der Summe aus der Drehgeschwindigkeit der Erde und der Fahrgeschwindigkeit
in der West-Ost-Richtung. Der Fahrtfehler wird gewöhnlich in einem Rechengetriebe
ermittelt, das in der Übertragungseinrichtung zwischen dem Mutterkompaß und den
Tochterkompassen eingeschaltet ist. Hierbei zeigt der eigentliche Mutterkompaß also
falsch; nur die Anzeige der Tochterkompasse ist berichtigt.
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Es ist jedoch auch bekannt, bereits am Mutterkompaß den Fahrtfehler
durch ein Korrekturmoment auszugleichen. Die Größe dieses Korrekturmoments ist jedoch
sehr schwierig zu ermitteln, insbesondere weil es auch von der geographischen Breite
abhängig ist, auf welcher sich das Fahrzeug befindet.
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In einfacherer Weise läßt sich erfindungsgemäß der Fahrtfehler eines
Kreiselkompasses dadurch kompensieren, daß der Hauptrichtdrall des Kompasses durch
einen der Fahrt proportionalen Zusatzdrall, welcher mittels am Kompaß vorgesehener
zusätzlicher Kreise erzeugt wird, nach Richtung und Größe genau entsprechend dem
Verhältnis zwischen der wahren und der scheinbaren Erddrehung geändert wird. Erfindungsgemäß
wird also dem Kompaß infolge eines falsch gerichteten Dralles nicht erst die Möglichkeit
des Abwanderns gegeben, welches nachträglich natürlich nur durch ein der Abwanderung
proportionales Korrekturmoment wieder rückgängig gemacht werden kann; es wird vielmehr
bereits diejenige Grundgröße verändert, deren Änderung durch das infolge der Erddrehung
entstehende Schwerkraftsmoment dem Kompaß die Richtkraft gibt. Dadurch wird gegenüber
bekannten Korrekturanordnungen unter anderem der Vorteil erreicht, daß die Kompensation
des Fahrtfehlers unabhängig von der geographischen Breite wird, auf welcher sich
das Fahrzeug jeweils befindet. Wenn Kurs und Fahrt des Schiffes
konstant
bleiben, so wird an verschiedenen geographischen Breiten auch das Verhältnis zwischen
dem Hauptrichtdrall und dem Kompensationsdrall für den Fahrtfehler und damit auch
der Gesamtrichtdrall des Kompasses konstant bleiben. Der geographische Breitenwinkel
geht erst als Faktor in das Schwerkraftsmoment ein, welches die Richtungsänderung
des Dralles bewirkt. Demnach ist die erfindungsgemäß verwendete Kompensationsgröße,
nämlich der der Fahrgeschwindigkeit proportionale zusätzliche Drall, unabhängig
von der geographischen Breite.
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Die Erfindung ist im folgenden an einem in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiel.näher be.3chrieben.
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Die Fig. i stellt den Kreiselkompaß in Seiten ansicht, teilweise im
Schnitt, dar, während Fig. 2 eine Draufsicht und Fig. 3 einen in Richtung des Pfeiles
gesehenen Schnitt a-a der Fig. i zeigt.
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Die Fig. 4 dient zur Erläuterung des Fahrtfehlerausgleichs.
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Die Tragplatte 4, an welcher der Kompaß mit sämtlichen Korrektureinrichtungen
angeordnet ist, ruht mittels einer Kugelpfanne 3 auf dem Kugelzapfen z des im Fahrzeug,
z. B. Schiff, fest aufgestellten Trägers i. Auf diesem Träger kann sich die Platte
4 demnach um alle Achsen frei drehen. Um dabei die Reibung in der Kugelpfanne 3
möglichst gering zu halten, drückt eine Zahnradpumpe 5 durch die axial im Träger
i hochgeführte Leitung 6 01 in diese Pfanne, welches in der am Träger angeordneten
Schale 7 aufgefangen und mittels Leitung 8 der Pumpe 5 wieder zugeleitet wird.
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An der Platte 4 sind die beiden Kreisel Cl und C2 drehbar um die Präzessionszapfen
g' und g" aufgehängt, wobei sie durch Federn io' und io" an eine bestimmte Nullage
zur Platte 4 gebunden sind. Die Kreisel Cl und C2, deren Drehachsen in aus Fig.3
ersichtlicher Weise einen bestimmten Winkel miteinander einschließen, mögen gleichsinnig
umlaufen und gleichen Drall besitzen. Der Vektor des resultierenden Dralles beider
Kreisel Cl und C2 liegt dann in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen den Drehachsen
beider Kreisel.
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Die bisher beschriebene Anordnung stellt im Prinzip den üblichen Kreiselkompaß
dar. Für ihn gelten die vorerwähnten Fehlweisungen, die erfindungsgemäß beseitigt
werden sollen. Die Ausbildung der bisher beschriebenen Einrichtung ist für die Erfindung
unwesentlich, weshalb auch irgendeine andere bekannte Kompaßanordnung verwendet
werden kann; beispielsweise könnten die Kreisel Cl und C2 durch einen einzigen ersetzt
werden.
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Auf einer Drehscheibe ii, die parallel zur Platte 4 liegt und deren
Drehzapfen 12 in einem im Zentrum der Platte 4 angeordneten Lager 13 ruht, ist das
erste Paar von Hilfskreiseln, die Kompensationskreisel K, und K2, mittels der an
den Kreiselgehäusen festen Zapfen 14 und 15 in an der Drehscheibe ii festen Lagern
16 und 17 angeordnet. Beide Kreisel K1 und K2 sind gegenläufig und haben gleichen
Drall. Sie können um ihre Drehzapfen 14 bzw. 15 nicht frei präzedieren, weil sie
in der aus Fig. i und 2 ersichtlichen Weise durch an den Kreiselgehäusen befestigte
Zahnradsegmente 18 und ig gekuppelt sind. Mit dem einen Zahnradsegment ig kämmt
ein Ritzel 2o (Fig. 2), das über ein Vorgelege 21: von dem auf der Drehscheibe ii
angeordneten Empfänger ml eines Fernübertragungssystems von motorähnlicher Bauart
angetrieben wird. Dieser Empfänger ml ist an eilte Fahrtmeßvorrichtung, welche die
Bahn- oder Tangentialgeschwindigkeit des Fahrzeuges mißt, angeschlossen. Die vom
Fahrtmesser eingestellte Gebervorrichtung ist nicht gezeichnet. Der Empfänger ml
wird von ihr so eingestellt, daß er über die Getriebeteile 21-1ß die Kreisel K1
und K2 aus ihrer Ruhelage, die der Fahrgeschwindigkeit Null entspricht und bei welcher
die Drehachsen beider Kreisel parallel sind, um einen Winkel gegeneinander verdreht,
der proportional der Fahrgeschwindigkeit ist.
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Auf der Drehscheibe ii ist ferner ein Nachdrehmotor m2 angeordnet,
dessen Ritzel 33 mit einem auf dem Lager 13 befestigten Zahnrad 34 in Eingriff steht.
Die Scheibe ii mitsamt den Kreiseln K1 und K2 wird durch diesen Motor in, relativ
zur Tragplatte 4 mit der Kursrichtung des Fahrzeuges gedreht, so daß die Drehscheibe
1i stets dieselbe Lage zum Fahrzeug hat. Die Steuerung des Motors m2 erfolgt zu
diesem Zweck in nicht dargestellter Weise durch Kontaktgabe von einem mit dem Fahrzeug
fest , verbundenen Kontaktstift aus.
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Unter der Platte 4 hängt in Lagerböcken 22' und 22" mittels Zapfen
23' und 23" ein zweites Paar von Hilfskreiseln k1 und k2, die wiederum durch aufgesetzte
Zahnradsegmente 24 und 25 1 gekuppelt sind, so daß sie um ihre Präzessionszapfen
23' bzw. 23" gleich große Ausschläge in entgegengesetzten Richtungen machen müssen.
In der Nullstellung sind die Drehachsen beider Kreisel k1 und h2 parallel und ihre
Dralle ent- i gegengesetzt gleich groß, wobei vorausgesetzt ist, daß die beiden
Kreisel gegenläufig sind. Die Vektoren vl und v2 beider Dralle liegen in der Horizontalebene
und sind senkrecht gerichtet zu der Resultierenden aus den Drallvektoren V1 und
V2 der beiden Hauptkreisel Cl und C2, welche die Einstellung des Kreiselkompasses
in die Nord-Süd-Richtung ermöglichen. Die beiden Hilfskreisel k1 und k2 sind entweder
in nicht dargestellter Weise durch Federn oder dadurch an die dargestellte Nullage
gebunden, daß ihr Schwerpunkt unterhalb der Aufhängezapfen
23' und
23" liegt. jeder der beiden Kreisel kl und k2 trägt ein Paar Tanks 26' bzw. 26",
die jeweils durch eine Ausgleichsleitung 27' bzw. 27" verbunden sind. Die Tanks
26' und 26" sind mit einer zähen Flüssigkeit gefüllt und dienen in noch zu erläuternder
Weise im Zusammenwirken mit den Kreiseln k1 und k2 zur Unterdrückung der freien
Schwingungen, die der Kreiselkompaß um seine Gleichgewichtslage ausführt, wobei
der bisher bei solchen Dämpfungsvorrichtungen entstehende balistische Restfehler
vermieden wird.
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Die Anzeige des Kreiselkompasses wird in bekannter Weise durch ein
elektrisches Spulensystem 28, 29 vermittelt, von welchem die eine Spule 28 an der
Platte q. und die andere Spule 29 an dem Zahnrad 32 befestigt ist. Das Spulensystem
wirkt in nicht dargestellter Weise direkt oder über Verstärkereinrichtungen auf
den Nachlaufmotor m3, der einerseits den Geber 30 für die Kompaßtöchter und
anderseits das Ritzel3i antreibt. Letzteres kämmt mit dem Stirnrad 32, das sich
um den Zapfen i dreht und die Spule 28 wieder mit der Spule 27 in Deckung bringt.
Diese Nachdrehung ist an sich bekannt.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist zunächst bei ruhendem
Fahrzeug folgende: Die Rotationsachsen der Kreisel k1 und k2 sind gleichgerichtet.
Weil diese Kreisel gegenläufig sind und gleichen Drall besitzen, bleiben sie vollständig
ohne Einfluß auf die Einstellung des Kompasses. Unter dem Einfluß, den die Drehung
der Erde auf die Richtungsänderung des durch die Hauptkreisel Cl, C2 erzeugten Dralls
hat, wird der resultierende Drallvektor dieser beiden Kreisel in die Nord-Süd-Richtung
getrieben. Die Platte q. wird dabei um ihre der Nord-Süd-Richtung entsprechende
Gleichgewichtslage Schwingungen ausführen, und zwar Schwingungen in vertikaler und
in horizontaler Richtung. Wenn die Platte 4: sich bei diesen Schwingungen um den
Trägerzapfen i in horizontaler Richtung dreht, machen die Hilfskreisel k1 und k2
unter dem Einfluß dieser Drehung Präzessionsausschläge um ihre horizontalen Zapfen
23' bzw. 23", und zwar in entgegengesetztem Sinne, weil sie gegenläufig sind. Die
Tankanordnungen 26', 27' bzw. 26", 27" werden dabei in der Zeichenebene von
Fig. i geschwenkt, so daß die in ihnen enthaltene Flüssigkeit strömt. Dadurch wird
die Energie der um den Träger i erfolgenden Drehbewegungen der Platte q. vernichtet.
Da aber diese in horizontaler Richtung erfolgenden Schwingungen mit denjenigen in
vertikaler Richtung gekoppelt sind, werden letztere ebenfalls zum Abklingen gebracht.
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Setzt sich nun das Fahrzeug etwa unter dem Kurswinkel a gegen den
Meridian in Bewegung, so daß es nach einiger Zeit die Fahrgeschwindigkeit v erhält,
so wirkt während dieser ganzen Zeit eine in der Fahrtrichtung liegende Beschleunigung
auf den Gesamtschwerpunkt des Kreiselkompasses ein. Unter dem Einfluß des dabei
entstehenden Drehmomentes sucht der Kompaß bzw. die Platte q. aus der ursprünglichen
Gleichgewichtsrichtung nach Osten oder Westen (je nach der Fahrtrichtung) abzuweichen.
Diese allgemein als ballistischer Fehler bezeichnete Abweichung wird jedoch durch
das Kreiselpaar Ki, K2 verhindert. Bei der Fahrt Null sind die Drallvektoren dieser
Kreisel gleich und entgegengesetzt gerichtet; sie heben sich also auf. Ist jedoch
eine Fahrgeschwindigkeit vorhanden, so verschwenkt der Empfängermotor ml die Kreisel
K1 und K2 zwangsläufig um einen der Fahrgeschwindigkeit entsprechenden Winkel gegeneinander.
Es entsteht dann ein resultierender Drallvelctor, der in Richtung der Verbindungslinie
zwischen den Mittelpunkten beider Kreisel K1 und K2 liegt und dessen Größe der jeweiligen
Fahrgeschwindigkeit proportional ist. Der dem Kurs entsprechend gesteuerte Motor
m2 dreht die Platte ii mit den Korrekturkreiseln K1 und K2 gegenüber der Platte
q. stets so, daß der resultierende Drallvektor (Richtung der Verbindungslinie zwischen
den Mittelpunkten der Kreisel K1 und K2) senkrecht zur Fahrtrichtung, und zwar nach
links (nach Backbord), gerichtet steht. Fährt also das Fahrzeug z. B. genau nach
Südosten, so zeigt der resultierende Drallvektor nach Nordosten.
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Das Entstehen des Drallvektors ist, wie gesagt, mit dem Anwachsen
der Fahrgeschwindigkeit verknüpft. Weil dieser Drallvektor senkrecht zur Fahrtrichtung
steht, erfolgen die durch seine Größenänderungen ausgelösten Kreiselwirkungen, d.
h. die Präzessionsmomente der Kreisel K, und K2 auf die Scheibe ii, um eine zur
Schiffsquerachse parallele Achse, indem sie die Scheibe ii um den Kugelzapfen 2
zu kippen suchen, und zwar in solchem Sinne, daß sie gleichzeitig das Moment der
bei Fahrgeschwindigkeitsänderungen am Schwerpunkt des gesamten Kreiselpendels angreifenden
Kraft ausgleichen. Das Entstehen eines ballistischen Kompaßfehlers infolge Änderungen
der Fahrgeschwindigkeit wird also verhindert. Dazu ist natürlich erforderlich, daß
die Dralle der Kompensationskreisel und das Maß ihrer Verdrehung gegenüber dem Schweremoment
des gesamten Kompasses so gewählt ist, daß das durch die Verstellung der Kompensationskreisel
hervorgerufene Moment in jedem Augenblick gleich dem Moment der durch die Fahrtänderung
am Schwerpunkt entstehenden. Kraft ist.
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Die Korrekturkreisel K1 und K2 kompensieren jedoch nicht nur die in
der Fahrtrichtung wirksamen Beschleunigungen, die durch Fahrtänderungen
hervorgerufen
werden, sondern gleichzeitig auch die bei Kursänderungen senkrecht zur Fahrtrichtung
entstehenden Zentrifugalbeschleunigungen. Wenn nämlich Zentrifugalbeschleunigungen
auf den Schwerpunkt des gesamten Systems einwirken, so wird dadurch, daß die Kreisel
K., und K2 ihre Lage relativ zum Schiff beibehalten und demzufolge ihr senkrecht
zur Schiffslängsachse liegender resultierender Drallvektor dieselben Drehungen auf
der Erde ausführt wie das Schiff, bei richtigem Drehsinn der Kreisel und richtiger
Wahl der Verhältnisse eine Kreiselwirkung hervorgerufen, die in jedem Augenblick
gleich und entgegengesetzt gerichtet dem Moment der durch die Kursänderung am Schwerpunkt
des gesamten Systems entstehenden Zentrifugalkraft ist.
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Während bei ruhendem Fahrzeug die Richtkraft des Kreiselkompasses,
abgesehen von der geographischen Breite, auf welcher sich das Fahrzeug befindet,
durch den resultierenden Drall der Kreisel C1 und C2 allein bestimmt war, ist jetzt
während der Fahrt durch die Kreisel K1 und K2 ein neuer Richtdrall hinzugekommen,
der senkrecht zur Fahrtrichtung steht.
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In Fig. ¢ möge A beispielsweise der in der Nord-Süd-Richtung liegende
resultierende Drallvektor der Hauptkreisel Cl und C2 sein, während B der der Fahrgeschwindigkeit
proportionale resultierende Drallvektor der Kreisel K1 und K, ist. Letzterer ist
senkrecht zu der durch den Pfeil .P angegebenen Fahrtrichtung des Schiffes gerichtet.
Aus beiden resultiert der Gesamtdrall R, der bei richtiger Wahl der Verhältnisse
genau in die Richtung fällt, die aus der Winkelgeschwindigkeit der Erde und aus
der Fahrgeschwindigkeit des Schiffes resultiert. Damit bleibt der eigentliche Kreiseldrall
A, der den Kompaß einstellt, in der Nord-Süd-Richtung stehen, weshalb auch der Kompaß
selbst keinen Fahrtfehler erleidet, sondern stets genau in die Nord-Süd-Richtung
einschwingt.
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Bei den bisher bekannten Kompassen mit Tankdämpfern für die Kompaßschwingungen
sind z. B. zwei durch eine Flüssigkeitsleitung miteinander verbundene Tanks in der
Nord-Süd-Richtung so am Kompaß gelagert, daß .die Tankanordnung durch die Vertikalschwingungen
des Kompasses schräg gestellt wird. Es tritt dann eine Flüssigkeitsströmung zwischen
den Tanks in der Nord-Süd-Richtung ein, die in der Verbindungsleitung der Tanks
gedrosselt wird und auf diese Weise dem Kompaß seine Schwingungsenergie allmählich
entzieht. Die Flüssigkeitsverschiebung in der Nord-Süd-Richtung hat jedoch ein störendes
Moment um die Ost-West-Achse des Kompasses zur Folge, das durch die in der Nord-Süd-Richtung
wirksamen Fährbeschleunigungen des Schiffes noch vergrößert wird. Es ist zur Vermeidung
dieser Nachteile bereits vorgeschlagen worden, statt der Reibungsdämpfung eine Gewichtsdämpfung
mittels Tanks dadurch vorzunehmen, daß ein auf der Ostseite des Richtkreisels vorgesehener
Tank mehr oder minder mit Flüssigkeit gefüllt wird und durch dieses auf der Ostseite
des Kreisels entstehende Übergewicht ein Drehmoment um eine vertikale Achse erzeugt
wird, welche die Kompaßschwingungen allmählich zum Abklingen bringt. Diese Anordnung
ist jedoch verhältnismäßig kompliziert. Beim Gegenstand der Erfindung dient zur
Dämpfung der Kompaßschwingungen ebenfalls die Drosselung der in einer am Kompaß
angeordneten Tankanlage infolge der Kompaßschwingungen eintretenden Flüssigkeitsströmung.
Bei der beschriebenen Anordnung sind die an den Kreiseln k1 und k2 angeordneten
Dämpfungstanks stets in der Ost-West-Richtung ausgerichtet, weil der Kreiselkompaß
dauernd in die wahre Nord-Süd-Richtung einschwingt. Beschleunigungen in der Nord-Süd-Richtung
sind also ohne Einfluß auf die Dämpfungsvorrichtung. Die Kreiselanordnung Al, K2
verhindert, daß der Kompaß von der Nord-Süd-Richtung abweicht. Demzufolge bleiben,
nachdem der Kompaß einmal in die Nord-Süd-Richtung eingeschwungen ist, die Kreisel
k1 und k2 .stets in ihrer Ruhelage. Bei Beschleunigung in der Ost-West-Richtung
kann das Öl zwar von dem linken Tank in den rechtsliegenden Tank bzw. umgekehrt
übertreten, jedoch heben sich die Gewichtsmomente, die dabei auf die Kreisel k1
und. k2 zur Einwirkung kommen, vermöge der Kupplung durch die Zahnradsegmente 24
und 25 auf. Es tritt lediglich eine kleine Beeinflussung der Schwingung um
die Nord-Süd-Achse, also in der Ost-West-Richtung auf, die, an sich schon außerordentlich
gering, auf die Weisung des Kompasses ohne Einfluß ist.
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Die Drehachsen der Kompensationskreisel KI und K2, die bei der beschriebenen
Ausführungsform horizontal liegen, können auch senkrecht stehend angeordnet sein.-
Die Zapfen, um welche diese Kreisel entsprechend der Fahrgeschwindigkeit verdreht
werden, liegen dann waagerecht. Auf diese Weise läßt sich ebenfalls eine waagerechte,
senkrecht zur Fahrtrichtung liegende Komponente des Drallvektors der Kompensationskreisel
erzeugen.
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Die Wirkungsweise der oberen Kompensationskreisel El und K2 kann auch
kurz folgendermaßen erläutert werden: Ändert sich i die Geschwindigkeit des Fahrzeuges
der Größe nach, so wird das dadurch auf den gesamten Kreiselkompaß ausgelöste Beschleunigungsmoment
durch eine Größenänderung des resultierenden Dralles der Korrekturkreisel El undK2
i aufgehoben. Ändert sich die Geschwindigkeit des Fahrzeuges der Richtung nach,
so wird die
dadurch auf den Kreiselkompaß ausgelöste Zentrifugalwirkung
durch eine Richtungsänderung des resultierenden Dralles der Kompensationskreisel
K1 und K2 aufgehoben. Dabei besitzt der resultierende Drallvektor der Kompensationskreisel
KI und K2, der stets senkrecht zur Fahrtrichtung gerichtet steht, dasselbe Verhältnis
zum Richtdrall des eigentlichen Kreiselkompasses wie die Fahrgeschwindigkeit in
der Nord-Süd-Richtung zur Summe aus der Drehgeschwindigkeit der Erde und der Fahrgeschwindigkeit
in der Ost-West- bzw. West-Ost-Richtung.