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Gyroskop Die Erfindung bezieht sich auf ein Gyrostop, bei dem die
Kreiselmasse den angetriebenen Teil einer Reibungskupplung bildet und gesondert
von dem treibenden Glied der Kupplung um eine eigene Achse umläuft, deren Lagerträger
einen oder zwei Präzessionsfreiheitsgrade aufweist. Derartige Anordnungen haben
bekanntlich den Vorteil, daß der antreibende Motor von beliebiger Bauart sein kann
und daß die Zuführung des Stromes im Falle eines Elektromotors oder der Luft im
Falle einer Windturbine nicht durch störende biegsame Leitungen oder über die Kardanlagerung
erfolgt.
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Bei den gegenwärtig bekannten Gyroskopen dieser Art war jedoch entweder
die Kreiselmasse, also der angetriebene Teil der Kupplung, vollständig von einem
als kugelförmiges Organ ausgebildeten Antriebsglied getragen oder bei freier kardanischer
Aufhängung von äußeren Organen mitgenommen worden, die aus Reibrollen bestanden,
deren Drehachsen nicht durch den Mittelpunkt der kardanischen Aufhängung hindurchgingen.
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Sowohl die eine als auch die andere der beiden genannten Ausführungsformen
weist schwerwiegende Nachteile auf.
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Bei der ersten Ausführungsform schadet die Art und Weise der Unterstützung
der Kreiselmasse der Gleichmäßigkeit der auf sie ausgeübten Mituahmewirkung beträchtlich,
und zwar vermöge der unvermeidbaren Veränderungen, die in der Reibung der beiden
miteinander in Berührung befindlichen Kugelflächen auftreten.
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Bei der zweiten Ausführungsform ergeben sich andere schädliche Unregelmäßigkeiten
aus den Schwankungen der Mitnahmekräfte, die durch die Änderungen in der Lage des
Gyroskops in bezug auf das Antriebsorgan hervorgerufen werden.
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Schließlich erlaubt keine der beiden genannten Ausführungsarten,
die Geschwindigkeit des Gyroskops selbsttätig auf einen bleibenden vorgegebenen
Betrag einzuregeln.
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Die Erfindung bezweckt, die Verwendung einer elektrischen Regelvorrichtung
sowie von Ausgleichvorrichtungen zusätzlicher Art zu vermeiden, die dem Gyroskop
zugeordnet werden müßten, und doch die vereinten Vorteile einfacher Bauweise, leichter
Anbringbarkeit und genauen Arbeitens zu erreichen.
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Gemäß der Erfindung ist ein solches Gyroskop, bei dem die Kreiselmasse
das angetriebene Glied einer Reibungskupplung bildet und gesondert von dem treibenden
Glied der Kupplung um eine eigene Achse umläuft, deren Lagerträger einen oder zwei
Präzessionsfreiheitsgrade aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibungsoberfläche
des antreibenden
Gliedes, wie an sich bekannt, die Form einer konvexen
kugelförmigen oder nahezu kugelförmigen Umlauffläche besitzt, und daß der Mittelpunkt
der Kardanaufhängung mit dem Mittelpunkt der kugelförmigen Reibungsfläche des antreibenden
Gliedes übereinstimmt.
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Die Erfindung bezweckt weiterhin, die Umlaufgeschwindigkeit der Kreiselmasse
in genauen Grenzen aufrechtzuerhalten und gegebenenfalls in notwendiger Gesetzmäßigkeit
eine beständige Berichtigung der Winkellage des über einen oder zwei Präzessionsfreiheitsgrade
verfügen den Kreisels selbsttätig herzustellen.
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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der die kugelförmige
Reibungsfläche des antreibenden Gliedes umgebende angetriebene Rotor mit einer Anzahl
von Reibungselementen versehen ist, die mittels Federn gegen diese Oberfläche um
so weniger angedrückt werden, je größer die Geschwindigkeit des Rotors ist.
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Infolge des durch die Reibungselemente auf den kugelförmigen Teil
ausgeübten Druckes entsteht zwischen diesen Teilen eine Mitnahmewirkung, die die
Drehung der Kreiselmasse bestimmt und weiter unterhält.
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Eine selbsttätige Anpassung dieser Mitnahmewirkung an den Leistungsbedarf
für den Rotor zur Aufrechterhaltung einer konstanten Winkelgeschwindigkeit ergibt
sich vermöge der Wirkung der Zentrifugalkraft atif die Bürsten oder Reibungselemente.
Diese Wirkung bringt, da sie den Druckfedern nach Maßgabe der Geschwindigkeit entgegenwirkt
und deren Druckkräfte mehr oder weniger vermindert, eine entsprechende Verminderung
auch der Reibungskräfte und damit des Betrages der Mitnahmekräfte mit sich. Infolgedessen
wird die Winkelgeschwindigkeit der Kreiselmasse auf den Betrag begrenzt, für den
praktisch Gleichgewicht zwischen der Wirkung der Zentrifugalkraft an den Reibungselementen
und dem Druck der Federn besteht, obwohl die Winkelgeschwindigkeit der kugelförmigen
Antriebsfläche durch den Antriebsmotor mit einem merklich höheren Wert aufrechterhalten
wird.
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Die Reibungsflächen werden daher zum Sitze verschieden gerichteter
Wirkungen, deren Meridiankomponenten in bezug auf die Kreiselmasse gegebenenfalls
ein langsames und beständiges Zurückstellen der Achse dieser Kreiselmasse nach der
im betrachteten Augenblick vorliegenden Drehachse des kugelförmigen Elementes hin
hervorrufen.
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Die kugelförmige oder teilweise kugelförmige Antriebsfläche kann
auf jede geeignete Weise durch einen Motor beliebiger Bauart in Drehung versetzt
werden, der entweder unmittelbar an dem Träger der Aufhängevorrichtung befestigt
ist oder gemäß der Erfindung auf einem besonderen Grundgestell angebracht ist, auf
dem in diesem Falle der erstgenannte Träger vorzugsweise um eine mit der Achse des
Antriebsorganes zusammenfallende Achse in Drehung versetzt wird, wenn man, wie es
in bestimmten besonderen Fällen von Interesse ist, dem genannten Träger eine verhältnismäßig
langsame Drehbewegung um eine derartige Achse erteilen will.
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Durch diese langsame, dem Aufhängesystem verteilte Drehbewegung wird
erreicht, daß die Abweichungen des Gyroskops, die aus einer Unvollkomruenheit des
Gleichgewichtes hervorgehen können, praktisch unschädlich gemacht werden, weil der
fehlerhaft stehende Kreiselkörper nacheinander alle Azimute - durchläuft.
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Nachstehend werden drei Ausführungsformen der Erfindung, die drei
verschiedenen Arten der Verbindung des eigentlichen Gyroskops mit dem Grundgestell,
das den Stator des Antriebsmotors trägt, entsprechen, beispielsweise beschrieben,
und zwar zeigt: Fig. I einen Achsschnitt nach der Linie I-I der Fig. 2, die eine
Vorrichtung mit nur einem einzigen Präzessionsfreiheitsgrad darstellt, Fig. 2 einen
Schnitt nach der Linie II-II der Fig. I, Fig. 3 einen Achsschnitt nach der Linie
III-III der Fig. 4, die eine Vorrichtung mit kardanischer Aufhängung des Rotors
darstellt, Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 3, Fig. 5 einen Schnitt
längs den beiden durch die Umlaufachse gelegten Ebenen V-V der Fig. 6, die eine
Vorrichtung darstellt, bei der der Träger der Aufhängevorrichtung des Rotors selbst
derart gelagert ist, daß ihr mit langsamer Geschwindigkeit eine Drehbewegung erteilt
werden kann, und Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 5, wobei Teile
weggelassen sind.
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Wie aus den Figuren ersichtlich, wird die Kreiselmasse um ihre Umlaufachse
auf einem Träger 2-2' in Drehung versetzt, der selbst entweder mittels nur einer
einzigen Gelenkachse (gemäß Fig. 1 und 2) oder (gemäß Fig. 3, 4,5 und 6) an einem
Kardangelenk mittels eines Rahmens 3 an einem Träger 4-4' aufgehängt ist.
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Auf dem Träger der Aufhängevorrichtung für den Rotor wird andererseits
entweder mittels der Welleg eines Motors in (Fig. I und 3) oder über einen zylindrischen
Schaft 5' (Fig. 5) ein Antriebs organ 5 mit kugelförmiger Oberfläche in Drehung
versetzt.
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Die Kreiselmasse 1-1' besitzt drei Reibungselemente 6, die in radialen
Bohrungen angeordnet
sind, in denen sie gleiten können; im Innern
dieser Ausnehmungen angebrachte Druckfedern 7 bewirken, daß beständig Berührung
der Reibungselemente mit der kugelförmigen Antriebsfläche besteht.
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An dem Träger 4 ist eine Schnur 8 angebracht, die aus plastischem
oder elastischem Werkstoff besteht und ein Anschlagorgan zur Begrenzung der Winkel
drehungen des Trägers 2-2' bildet.
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In der Ausführungsform nach Fig. 5 kann der Träger der Aufhängevorrichtung
4-4' mittels einer Welle 11 in Drehung versetzt werden, die mit ihm ein zusammenhängendes
Teil bildet, und zwar auf einem Grundgestell 12, das den Stator des Antriebsmotors
I3 trägt, der in diesem Falle den Motor 10 der oben beschriebenen Ausführungsformen
ersetzt. In diesem Falle sind auf der Welle 14 des Motorf 13 Zahnräder 15 und I6
befestigt, von denen das erstgenannte mit einem Zahnkranz I7 des Schaftes 5' des
Organes 5 und das zweitgenannte mit einem Zahnrad I8 kämmt, das auf einer Welle
in des Trägers 4 aufgekeilt ist.
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Bei den hier beschriebenen Ausführungsformen wird der Motor durch
das Kräftepaar von Gegenkräften belastet, die durch die Reibung der Bürsten 6 an
der kugelförmigen Antriebsfläche des Teiles 5 entstehen.
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Die Kreiselmasse I-I' wird mit einer Drehbewegung mitgenommen, deren
Geschwindigkeit erst dann anzuwachsen aufhört, wenn die auf die Bürsten entgegen
der Spannung der Federn 7 wirkende Zentrifugalkraft den Betrag dieses Kräftepaares
auf den Betrag des Kräftepaares der passiven Widerstandskräfte (Luftwiderstand gegen
die Drehung der Masse und mechanische Reibung der drehbar gelagerten Organe) verringert
hat. Auf diese Weise erhält man selbsttätig eine genaue Begrenzung der Drehgeschwindigkeit
der Kreiselmasse, wobei die kugelförmige Antriebsfläche sich mit der Geschwindigkeit
dreht, die ihr vom Motor erteilt wird.
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Wenn die Drehachse der Masse 1-1' und die Drehachse des Antriebsorganes
5 aus irgendeinem Grunde nicht mehr die gleiche Richtung besitzen, so gleiten die
Bürsten auf der Antriebsfläche in beständig wechselnder Richtung. Dadurch wirkt
ein Kräftepaar auf den Rotor, dessen eine Komponente die Geschwindigkeit der Kreiselmasse
unterhält, und dessen andere Komponente, die im Falle, daß die Aufhängung des Trägers
2-2' nur einen einzigen Präzessionsfreiheitsgrad besitzt (Fig. I und 2), praktisch
ohne Einfluß ist, und für den Fall, daß die Aufhängung des Gehäuses zwei Präzessionsfreiheitsgrade
besitzt (Fig. 3, 4, 5 und 6), die Wiederaufrichtung, d. h. das beständige Zurückstellen
der Drehachse der Kreiselmasse in die Richtung der Drehachse der Antriebsfläche
hervorruft.
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Diese Wirkuirg wechselnder Richtung bringt es mit sich, daß die Zurückstell-
oder Wiederaufrichtegeschwindigkeit von dem augenblicklichen Winkel abhängt, den
die Achse der Kreiselmasse mit der Achse des Rotors bildet.
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Hieraus ergibt sich, daß trotz etwaiger Schwingungen des ganzen Gerätes,
die von dem System ausgehen, mit dem es fest verbunden ist (Pendelsystem auf einem
Schiffsrumpf, einem Flugzeugrumpf o. dgl.), die Achse der K : reiselmasse selbst
in bezug auf ihre Richtung nur äußerst langsame Veränderungen erfährt, die beständig
die Achse des Rotors mit der des Antriebsorganes 5 auszurichten bestrebt sind, und
daß infolgedessen diese Kreiselmasse praktisch keine Zeit hat, sich merklich aus
der mittleren Lage der Rotorachse 5 zu entfernen und somit fähig wird, als befriedigendes
Bezugssystem zu dienen.
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In dem Falle jedoch, daß die Aufhängung des Kreiselteiles I-I', 2-2'
einen Gleichgewichtsfehler in bezug auf den Mittelpunkt der Kardanaufhängung aufweist,
kann die Wiederanfrichtewirkung nicht vollständig sein, weil sie sich aufhebt, sobald
die sie erzeugende Komponente aufhört, größer zu sein als das die Fehleinstellung
bewirkende Kräftepaar, das aus dem vorerwähnten Gleichgewichtsfehler hervorgeht.
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Um diesem Übelstand zu begegnen, wird es für bestimmte Anwendungsfälle
als zweckmäßig angesehen, die Einrichtung des falschliegenden Kreiselgliedes langsam,
regelmäßig und beständig zu variieren, d. h. gemäß der Erfindung den Träger der
Aufhängevorrichtung 4 zusammen mit dem Aufhängesystem langsam in Drehung zu versetzen,
wozu der Antriebsmotor für die Antriebsfläche 5 (s. Fig. 5) verwendet wird.
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Es ist zu betnerken, daß die gemäß der Erfindung ausgeführten Vorrichtungen
Gyrostaten darstellen, die den gewöhnlichen Gyrostaten mit aufgehängtem Gehäuse
vollkommen gleichwertig sind, jedoch der berechtigten Kritik nicht unterliegen,
die gegen Kreisel ausgesprochen worden ist, bei denen das Aufhängungssystem der
Kreiselmasse lediglich aus einem kugelförmigen Gelenkzapfen und Drehzapfen besteht,
der eines der Elemente einer Reibungskupplung bildet.