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Künstlicher Horizont Die Erfindung betrifft einen künstlichen Horizont,
welcher mit einem kardanisch aufgehängten Kreisel von drei Freiheitsgraden und in
der Sollage lotrechter Umlaufachse ausgerüstet ist und als Navigationsinstrument
zur Steuerung von Luftfahrzeugen oder auch als Richtungsgeber für selbsttätige Steuerung
eines Flugzeuges um die Längs- und Querachse dienen kann.
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Bekannt sind als Kreiselpendel ausgebildete künstliche Horizonte.
Bei diesen liegt der Schwerpunkt des ebenfalls meist kardanisch aufgehängten Kreiselumlaufachsenlagerträgers
unterhalb des Kardanachsenschnittpunktes. Instrumente dieser Art haben sich jedoch
weder als Navigationsinstrument noch als Richtungsgeber für selbsttätige Steuerungen
bewährt, da sie gegen seitliche Beschleunigungskräfte, die besonders bei Wendungen
auftreten, empfindlich sind. Nach einem. früheren Vorschlag desselben Erfinders
ist ein künstlicher Horizont statt dessen mit einem kräftefrei aufgehängten Kreisel,
bei dem also der Schwerpunkt des Kreiselumlaufachsenlagertr"ägers mit dem Schnittpunkt
der Kardanachsen zusammenfällt, und mit einem starren Pendel ausgerüstet, welches
beim Abweichen der Umlaufachse des Kreisels von der Richtung der Schwerkraft Luftströme
schaltet, die Drehmomente um die senkrecht auf der Kippachse stehende Empfindlichkeitsachse
des Kreisels ausüben, so daß der Kreisel durch die hierdurch um die Kippachse hervorgerufenen
Präzessionsmomente auf kürzestem Weg in die Sollage zurückgeführt wird. Bei diesen
Geräten ist die Beschleunigungsempfindlichkeit, die dem Kreiselpendel mit lotrechter
Kreiselumlaufachse anhaftet, sehr stark gemildert. Indessen ist die Pendeleinrichtung
bei dem in dem genannten Patent beschriebenen Ausführungsbeispiel als kardanisch
aufgehängtes kugelabschnittförmiges Pendel ausgebildet, welches über einer Kugelschale
schwingt, die mit Auslaßöffnungen für Luftströme versehen ist, welche durch steuernde
Kanten des kugelabschnittförtüigen Pendelkörpers mehr oder weniger abgedeckt werden
und dadurch die Drehmomente hervorrufen. Daher ist das Gewicht des steuernden Pendels
im Verhältnis zum Gewicht des Kreiselumlaufachsenlagerträgers einschließlich des
Kreiselkörpers nicht zu vernachlässigen, so daß Ausschläge- des Pendels eine Verlagerung
des Schwerpunktes hervorrufen, die störend wirken kann, besonders wenn das Pendel
bei einer Kurve stark ausschlägt.
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Auch beim Erfindungsgegenstand fällt der Schwerpunkt des Kreiselumlaufachsenlagerträgers
praktisch mit dem Kardanachsenschnittpunkt
zusammen, und es ist
ebenfalls eine Pendeleinrichtung zur Steuerung von
| Luftströmen vorgesehen, die bei einem Auez.°; |
| weichen der Kreiselumlaufachse aus |
| Schwerkraftrichtung Drehmomente um |
| zur Kippachse senkrechte Empfindlichkeit |
| achse hervorrufen. Gegenüber dem zuletzt |
genannten Ausführungsbeispiel in der erwähnten älteren Patentschrift wird durch
.die Erfindung eine wesentliche Verbesserung dadurch erzielt, daß zum Steuernder
die Drehmomente erzeugenden Luftströme zum Teil blattschieberartig ausgebildete
Pendel oder Pendelpaare verwandt werden, welche je um zu den Kardanachsen parallele
Achsen schwingbar aufgehängt sind. Die Pendel werden zweckmäßig mit messerschneidenartigen
Kanten:. zum Abschirmen der Luftstrahlen versehen, die senkrecht zu den Blattschieberflächen
aus den dazu bestimmten Öffnungen austreten. Die Verwendung zweier blattschieberartig
ausgebildeter Pendel oder Pendelpaare hat gegenüber der Anwendung eines einzigen
kugelabschnittförmigen Pendels den großen Vorteil, daß die Pendel so leicht gehalten
werden können, daß selbst bei größten Ausschlägen in bezug auf den Kreiselumlaufachsenlagerträger
keine merklichen Schwerpunktsverlagerungen auftreten.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in folgendem: Bei seitlichen
Beschleunigungen, welche bei Wendungen besonders stark auftreten;: stellen sich
die Pendel in die durch die Komponente aus. der. Beschleunigungswirkung und der
wahren Erdschwere bestimmte Scheinlotrichtung ein. Hierbei üben die von den Pendeln
geschalteten . Drehmomente eine .unerwünschte Wirkung aus, da sie die Kreiselumläufachse
in -die Scheinlotrichtung «einzustellen bestrebt sind, .während das Kreiselgerät
die wahre Lotrchtung bzw. den wahren Horizont anzeigen würde. Wenn auch diese, Einflüsse
nicht so störend sind wie. die erstgenannten, von Schwerpunktsver-Iagerungen herrührenden,
so 'ist es doch wünschenswert, auch- diese praktisch auszuschalten, was sich bei-Ausbildung
der Pendel gemäß der Erfindung riäch Art von Blattschiebern leicht erreichen läßt.
Zu dem Zweck wird die Einrichtung so getroffen, daß die Pendel d_ ie von, ihnen
geschalteten Drehmomente verkleiern, sobald der Pendelausschlag .gegenüber der Kreiselumlaufachse
einen bestimmten Betrag überschreitet. Da nun die Pendelausschläge bei seitlichen
Beschleunigungen, insbesondere bei Wendungen, - verhältnismäßig groß werden, so
wird hierdurch erreicht, daß die Stellung des Kreiselumlaufachsenlagerträgers nur
durch kleine Pendelausschläge beeinflußt wird, die auftreten, wenn er infolge der
Lagerreibung, der Erddrehung oder sonstiger Einflüsse aus seiner Sollage in bezug
auf die währe Lot-
| Rxichtung abgelenkt wird, daß dagegen die bei |
| ' `Iendungen oder sonstigen, längere Zeit wir- |
| enden seitlichen Beschleunigungen auftreten- |
| An größeren Pendelausschläge keine die An- |
| zeige merklich verfälschende Wirkung ausüben. |
In den Abbildungen sind verschiedene zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung
dargestellt.
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Abb. 1 und 2 stellen einen waagerechten und einen lotrechten Schnitt
durch eine zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung dar.
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Abb. 3 zeigt einen lotrechten Schnitt durch 'die Pendeleinrichtung
in einer gegenüber der in Abb. z ein wenig anders ausgeführten Form.
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Abb. 4 zeigt eine Seitenansicht der Pendeleinrichtung, und zwar sowohl
für die Ausführungsform nach Abb. 2 als auch nach Abb. 3.
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Abb. 5 und 6 stellen Seitenansichten von anderen Ausführungsformen
für die Pendeleinrichtung dar.
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Eine weitere Ausführungsform zeigt Abb. 7, gleichfalls in Seitenansicht.
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Das Gehäuse z, in dem das ganze Gerät untergebracht ist, ist mit einem
Fenster versehen, durch welches hindurch der den Horizont darstellende balkenförmige
Zeiger 3 zu sehen ist. Der Zeigerbalken 3 ist an einem langen Hebel q. befestigt,
welcher an dem um die waagerechte Achse 13, 14 in dem Gehäuse i schwingbar aufgehängten
Kardanrahmen.l2 bei 5 drehbar gelagert ist. Durch ein Gewicht 6 wird der Zeigerbalken
3 und der Hebel 4 im Gleichgewicht -gehalten. In dem Hebel q. ist ein Schlitz 7
vorgesehen, in welchen ein Stift 8 als Kurbelzapfen eingreift. Der Stift 8 ist an
einem Kurbelarm befestigt, welcher fest auf den durch den Kardanrahmen 12 hindurchgeführten
Achszapfen 16 der Kardannebenachse 15, 16 aufgesetzt ist. An dieser Kardannebenachse
ist das Gehäuse g als Träger für die Lager der Umlaufachse des Kreiselläufers i9
befestigt.
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Das Gerät wird in das Flugzeug, dem Führersitz gegenüber, so eingebaut,
daß die Kardanhauptachse 13, 14 der Flugzeuglängsachse, die - Nebenachse
15, 16 der Flugzeugquerachse parallel ist. Stampfbewegungen des Flugzeuges um die
Querachse äußern sich daher in scheinbaren Bewegungen des Kreiselumlaufachsenlagerträgers
um die Nebenachse 15, -1f: Diese werden daher auf den Anzeigebalken 3 derart
übertragen, daß er sich in bezug auf ein Flugzeugbild auf dem Glasfenster 2 ebenso
bewegt, wie sich der wahre Horizont vom Führersitz aus gesehen zu bewegen scheint.
Bei
den in den Abbildungen dargestellten Ausführungsformen der Erfindung erhält der
Kreiselläufer 1g seinen Antrieb durch Luftströme. Diese Antriebsart ist zweckmäßig,
kann jedoch, ohne die Tragweite der Erfindung irgendwie zu berühren, durch jede
beliebige ändere, z. B. elektrische, für Kreiselläufer mögliche Antriebsart ersetzt
werden.
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Der Luftantrieb wird bei den dargestellten Ausführungsformen dadurch
erzeugt, daß aus dem Kreiselgehäuse i ständig Luft durch den Stutzen 2o abgesaugt
wird. Atmosphärische Luft strömt dann durch das Filter 12' und Kanäle i-' durch
den Lagerzapfen 14 des Kardanrahmens in den in dem Kardanrahmen 12 vorgesehenen
Kanal ein, von dem sie in ähnlicher Weise durch den Lagerzapfen 15 des Gehäuses
9 in den in dessen Seitenwand vorgesehenen Kanal gelangt und-;Jus den Düsen 17 und
18 in Form von Luftstrahlen gegen die Schaufeln des Kreiselläufers 1g strömt. Diese
Luftstrahlen versetzen den Läufer in die erforderliche Drehung.
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Der Schwerpunkt des Kreiselumlaufachsenlagerträgers g einschließlich
des Kreisels fällt praktisch mit dem Schnittpunkt der Kardanachsen zusammen. Ebenso
liegt der Schwerpunkt des Kardanrahmens 12- auf der Hauptachse 13, 14, so daß alle
beweglichen Teile des Gerätes in bezug auf beide Kardanachsen im indifferenten Gleichgewicht
aufgehängt erscheinen. Ein ganz geringes Übergewicht kann zur Überwindung der Lagerreibung
vorgesehen sein. Jedoch muß der Schnittpunkt der Kardanachsen so nahe mit dem Schwerpunkt
zusammenfallen, daß Pendelschwingungen praktisch nicht auftreten.
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Die Luftstrahlen, welche zum Hervorbringen der .Drehmomente beim Abweichen
der Kreiselumlaufachse aus der wahren Lotrichtung um die zur Kippachse senkrechte
Empfindlichkeitsachse dienen, werden zweckmäßig mittels der Antriebsluft erzeugt.
Bei den Ausführungsformen nach Abb. i bis 7 wird hierzu die Luft benutzt, nachdem
sie zum Antrieb des Kreisels verbraucht war. Zu dem Zweck ist bei diesen Ausführungsformen
an dein Gehäuse g des Kreisels ein zweckmäßig zylinderförmiger Ansatz angebracht,
in dem zweckmäßig zwei Paare von Austrittsöffnungen 21, 21', 22,:22' vorgesehen
sind. Die öffnungen sind zweckmäßig schlitzförmig ausgeführt, etwa so, daß sie symmetrisch
zu den beiden Ebenen durch die Kreiselumlaufachse und je eine der Kardanachsen liegen.
Die aus den Düsen 17 und 18 strömende Luft tritt, nachdem sie zum Antrieb des Kreiselläufers
1g verbraucht ist, durch diese Düsen aus. Erfindungsgemäß werden nun diese beiden
Luftstrahlenpaare durch je ein Paar kleiner Blattschieberpendel 23, 23', 2q., 2¢'
gesteuert, welche so aufgehängt sind, .daß eine zweckmäßig messerschneidenartig
ausgebildete Kante unmittelbar neben j e einer dieser Öffnungen liegt, wenn die
Richtung der Kreiselumlaufachse mit der Richtung der Schwerkraft übereinstimmt.
Die Einrichtung kann indessen auch so getroffen sein, daß in dieser Normallage die
gegenüberliegenden Pendelschieber mit ihrer steuernden Kante die beiden zugehörigen
Luftaustrittsöffnungen genau gleichmäßig abdecken. Neigen sich die Pendel, z. B.
das Pendelpaar 2q., 2q.' der Abb. q., gegen die Richtung der Kreiselumlaufachse
entgegen dem Uhrzeigersinn, so tvird die Öffnung 22 durch den Pendelschieber 24.
vollständig geöffnet, während die gegenüberliegende Öffnung 22' durch den anderen
Schieber vollkommen geschlossen wird.
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Infolgedessen wird auf den Kreiselumlaufachsenlagerträger g ein Drehmoment
um die Empfindlichkeitsachse 13, 14. ausgeübt, welches ein Präzessionsmoment um
die Achse 15, 16 hervorruft, das die Kreiselumlaufachse wieder in die richtige.
Lage zurückzubringen bestrebt ist. Die beiden gegenüberliegenden Pendelschieber
23, 23' und 24,:24' eines jeden Pendelpaares können entweder jedes für sich schwingbar
üm eigene Lagerzapfen aufgehängt sein, wie dies Abb.2 zeigt; oder sie können je
an einer gemeinsamen Achse 25, 25' befestigt sein, wie dies Abb. 3 zeigt Eine 'andere-
Ausbildungsart der Blattschieberpendel ist in Abb. 5 dargestellt. Hier sind die
Blattschieber an Blattfedern 41 befestigt, die an dem Gehäuse 9, z. B. bei q.2,
angenietet sind. Die Blattschieber selbst sind durch kleine Gewichte q.o' beschwert.
Die Federn sind derart bemessen, daß ihre Eigenschwingungen keine Interferenzschwingungen
mit den Schwingungen der Pendel 40" ergeben, so daß sie im wesentlichen nur als
Gelenke für die Pendel wirken. Die Blattschieber sind zweckmäßig mit Messerschneiden
¢3 versehen, die über den Austrittsöffnungen oder, Schlitzen 21, 21', 22, 22 spielen.
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Zweckmäßig werden noch Einrichtungen vorgesehen, durch welche die
von den Pendeln geschalteten Drehmomente verkleinert werden, sobald die Ausschläge
des Pendels gegen die Kreiselumlaufachse einen bestimmten Betrag überschreiten.
Wie bereits erwähnt, hat dies den Zweck, zu verhüten, daß die Kreiselumlaufachse
bei Wendungen oder beim Auftreten sonstiger starker seitlicher Beschleunigungen
durch die Pendel aus der wahren Lotrichtung merklich nach der Scheinlotrichtung
hin abgelenkt wird. Hierfür sind verschiedene Möglichkeiten gegeben. Bei den Ausführungsformen
nach den Abb.2 bis 4 1 ist neben den Hauptöffnungen 21, 21' bzw. 22, 22' je eine
Hilfsöffnung vorgesehen, die in
der Normallage der Blattschieber
in bezug auf die Hauptöffnungen ganz geschlossen sind, aber nicht weit von derjenigen
Kante entfernt liegen, die der die Hauptöffnungen steuernden Kante gegenüberliegt:
Die Abb. 3 und q. zeigen die gegenseitige Lage der Hilfsöffnung 26' bzw. 26 zu der
Hauptöffnung 22' bzw: 22. Außerdem ist aus Abb. q. die Lage der Hilfsöffnung 26
in bezug auf das zugehörige Schieberpendel24 in dessen Normallage zu ersehen. Abb.
q. zeigt gleichzeitig, daß die Einrichtung so getroffen ist, da:ß die Hilfsöffnung
26 geöffnet wird, wenn die Neigung des Pendelschiebers 24 gegen die Kreiselumlaufachse
nach Schließen der Hauptöffnung 22 einen bestimmten Winkel überschreitet, während
die Hilfsöffnung geschlossen bleibt, gleichgültig, wie groß der Ausschlag des Schieberpendels
ist, wenn dieses die entsprechende Hauptöffnung ganz freigegeben hat. Durch den
bei übermäßiger Neigung der Schieberpendel aus der 'hierdurch geöffneten Hilfsöffnung
austretenden Luftstrom wird daher das Drehmoment wieder verkleinert, welches durch
die aus den Hauptöffnungen austretenden Luftstrahlen erzeugt wird. Ausschläge der
Pendelschieber, die einen bestimmten, den j eweiiigen Verhältnissen anzupassenden
Betrag überschreiten, üben .daher keine nennenswerten Drehmomente auf das Kreiselgehäuse
9 aus, so daß die Anzeige durch seitliche Beschleunigungen, z: B. bei Wendungen,
nicht in merklichem Maß schädlich beeinflußt wird: Während bei der zuletzt beschriebenen
Ausführungsform neben den Hauptöffnungen Nebenöffnungen vorgesehen sind, um die
Deehmomente bei größeren Ausschlägen der Pendel zu verkleinern, ist dies bei der
in Abb. 7 dargestellten Ausführungsform der Schieberpendel nicht erforderlich. Hier
ist das Pendel so gestaltet, daß die schlitzförmigg Öffnung 22 durch die entgegengesetzte
Kante an einer Ausarbeitung des Pendels wieder geöffnet wird, wenn der Pendelschieber
nach erstmaligem Schließen der Öffnung 22 noch weiter in derselben Richtung ausschwingt.
Während also bei mäßigen Ausschlägen der Schieber eines Paares die eine Ausströmöffnung
ganz geöffnet, die andere ganz, geschlossen ist, wird bei stärkeren Ausschlägen
der dem vollkommen -offenen Schlitz gegenüberliegende Schlitz zum Teil wieder geöffnet,
so daß das Drehmoment, welches durch den aus dem ersten Schlitz austretenden. Luftstrom
erzeugt wird, durch den nunmehr auch aus dem zweiten Schlitz austretenden Strom
verkleinert wird.
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Eine weitere Ausführungsform ist in Abb..6 dargestellt. Die Einrichtung
wirkt in der Weise, daß von demselben Pendel, welches die Hauptöffnung freigegeben
hat, bei einem die bestimmte Größe überschreitenden Ausschlag auch noch die Nebenöffnung
freigegeben wird. Die Nebenöffnung ist hier im Verhältnis zu der Ausführungsform
nach den Abb. 3 und q. so groß gewählt, daß der Gesamtquerschnitt der beiden freigegebenen
Öffnungen so groß ist, daß nunmehr die Geschwindigkeit der austretenden Luftstrahlen
so stark herabgesetzt wird, daß hierdurch eine Verminderung des Drehmomentes eintritt:
Die Ausführungsformen nach den Abb.2 und q. haben die weitere Eigenschaft, daß sich
die anfangs verringerte Drehzahl des Kreisels erhöht, wenn die Pendelausschläge
gegen die Kreiselumlaufachse bestimmte Werte übersteigen. Bei den Ausführungsformen
nach den Abb. 2 bis q. liegt dies daran, daß durch das Freiwerden der Hilfsöffnungen
26, 26' wieder mehr Luft durch den Stutzen 2o aus dem Innern des Gehäuses 9 des
Kreiselumlaufachsenlagerträgers abgesaugt werden kann, sich also die Geschwindigkeit
der aus den Düsen 17, z8 austretenden Luftstrahlen erhöht. Die Erhöhung der Kreiseldrehzahl
ist bei übermäßigen Ausschlägen der Pendel von besonderem Vorteil, weil dadurch
die Stärke der Kreiselwirkung und der Periode in einem solchen Sinn geändert wird,
daß unerwünschte Schwingungen verhindert werden.
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Die Erfindung ist in ihrer Tragweite nicht auf die dargestellten und
beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere ist sie in ihrer Anwendung
nicht auf Kreisel mit Luftantrieb beschränkt. Bei Kreiselgeräten mit elektrischem
Antrieb kann z. B. die durch die Drehung des Kreisels erzeugte Luft in entsprechender
Weise verwandt werden.