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Selbststeuereinrichtung für Fahrzeuge, insbesondere Luftfahrzeuge
Die Wirksamkeit einer Selbststeuerung ist in hohem Maße von der Fahrzeuggeschwindigkeit
abhängig, und zwar sind bei geringer Fahrt größere Ruderausschläge erforderlich
als bei hohen Geschwindigkeiten. Dieser Tatsache Rechnung tragend, ist der Vorschlag
gemacht, bei einer Selbststeuereinrichtung für Schiffe zwischen dem Steuerwertgeber
und dem Ruderblatt eine von Hand stufenweis verstellbare .Übersetzung vorzusehen,
durch die die Ruderausschläge mit zunehmender Fahrtgeschwindigkeit verkleinert,
mit abnehmender Fahrtgeschwindigkeit vergrößert werden können, so daß bei verschiedenen
Geschwindigkeitsstufen etwa die gleiche Ruderwirkung erzielt wird.
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Bei von Hand gesteuerten Flugzeugen hat man zum Zweck der Vermeidung
von Überbeanspruchungen vorgeschlagen, unmittelbar in das den Steuerknüppel mit
dem Ruder verbindende Gestänge eine in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit
veränderliche Übersetzung einzuschalten. Diese Maßnahme hat jedoch den schwerwiegenden
Nachteil, daß dein Flugzeugführer das Gefühl für die Steuerung genommen wird, da
die am Steuerknüppel bemerkbarg Reaktionskraft trotz Fluggeschwindigkeitsänderung
gleichbleibt. Außerdem sind verhältnismäßig große Kräfte für die Herbeiführung einer
übersetzungsänderung erforderlich, und die Flugsicherheit wird durch umständliche
Bauart des Rudergestänges gefährdet.
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Bei Flugzeugselbststeuereinrichtungen wurden die Ruderausschläge bisher
lediglich entsprechend der Größe und gegebenenfalls der Winkelgeschwindigkeit der
Richtungs-° abweichung bemessen. Es fehlte ein Steuereinfluß, der dem gefühlsmäßigen
Moment entspricht, von dem sich der Flugzeugführer bei der Ruderlegung leiten läßt.
Infolgedessen waren die Ruderausschläge einer auf Reiseflug eingestellten Anlage
beim Landen wegen der stark herabgesetzten Geschwindigkeit, die bedeutend größeres
Ruderlegen erforderlich macht, zu gering. Aber gerade bei 3er Landung, insbesondere
bei fehlender Sicht soll eine Selbststeuereinrichtung zur Entlastung des Flugzeugführers
voll wirksam sein.
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Eine stetige und vollkommen selbsttätige Anpassung der Selbststeuereinrichtung
- an die Fahrzeuggeschwindigkeit wird durch die Erfindung in einwandfreier Weise
dadurch erreicht, daß die auf die Fahrtgeschwindigkeit ansprechende Vorrichtung
auf das den Rudermotor schaltende Relais arbeitet. Man kann den Einfluß der Steuerwerte
auf das den
Rudermotor schaltende Relais durch 12111e bei Fahrtänderungen
selbsttiitig verstellbare Cliersetzung ändern oder den die Ruderausschläge begrenzenden
Riickführwert in :einer Größe iahrtabllängig machen. Dabei ist 12s unerheblich,
in welcher `-eise der Rückführimpuls zusaininengesetzt ist. So können beispielsweise
hei einer Höhensteuerung Einflüsse ans Luftdruck und I_agenänderung im Riiekfiihrinipuls
enthalten :ein.
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Die Größe der Fahrtgeschwindigkeit liil;t sieh aus dein sog. Ruderdruck,
dein Druck, den das an der Steuerfläche vorbeiströmende Medium auf diese ausübt,
ermitteln. Deinentsprechend kann inan als Riiclaühriml>uis einen dein Ruderdruck
proportionalen Impuls verwenden.
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Es empfiehlt sich, in an sich bekannter Weise, die Rückführung mit
einer veränderlichen Nachgiebigkeit zu versehen, so daß der hiiclzführiinptils mit
willkürlich veränderlicher Zeitkonstante zum Nullwert abklingt.
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Elemente zur Erzeugung einer solchen Nachgiebigkeit sind bekamst beispielsweise
als Kolben iiis einseitig geschlossenen Zvlinder mit LTndichtigkeit oder als holbeis
ins zweiseitig gesclilosseiseii "Zylinder mit Kurzsehlußleitung, in der ein zwecl:m:il)ig
veriinclerlicherWiderstand liegt.
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Die Erfindung liil,,t sich in chifacher Weise dadurch verwirklichen,
daß -man einen der IZttderl:aft verhältnisgleichen Druckmittelniengeniinpuls auf
ein mit dem Kraftschalter für den Rudermotor verbundenes druckempfindliche; Organ
einwirken 1ii11t. wobei inan z-#veckni;.ißig gleichzeitig Mittel vorsieht, uni den
Mengenimpuls mit bestimmter Zeitkonstante verschwinden zu lassen.
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'Man kann zti dieseln Zwecke bei einer Steuerung mit druckinittelbetriebenein,
doppeltwirkendens Rudermotor die Anordnung so treffen, daß der ain I-#tiderlnotor
vorhandene l)ifferenzdrttcl: auf ein Differ#L-nzdrtickmeßsvstein einwirkt, dessen
Bewegungen über ein nachgiebiges Glied in rückführendem Sinne auf den Kraftschalter
einwii-hcn.
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Man kann aber auch die Anordnung so treffen, dar) der ans Rudermotor
vorhandene Differenzdruck auf einen in einem Z,vlin(ler beweglichen Kolben einwirkt,
welcher mit einem Federkörper verl)unden ist, und daß die durch Bewegung des F«ierl:örpers
hervorgerufene Z'olumenä nderung einen Luftdruck erzeugt, der eine mit dein Kraftschalter
verbundene lleinbran beaufschlagt, wobei zweckmäßig der Luftdruck sich über eine
vorzugsweise einstellbare Drossel dem atinosphärischen Druck anleichen kann. Diese
Anordnung ist sehr vorteilhaft infolge ihrer gedrängten Bauart, da Kolben mit Zylinder
innerhalb des Federkörpers angeordnet werden hötiiten und die gesamte Rückführeinrichtung
am Kraftschalter selbst angebracht «-erden kann.
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In einem Fall, in dein die Einstellung so l;ctroffen ist, daß der
Rüekführimpuls erst @. nach verhältnismäßig langer Zeit verschwindet, kann sich
die hyperbolische Abhängigkeit zwischen Weg des Federkörpers und Druck der eingeschlossenen
Luft störend bemerkbar machen. Trifft inan für einen solchen Fall die Anordnung
so, claß der Bewegung des Kolbens iin Sinne einer Luftverdichtung im Federkörper
eine zusätzliche Feder entgegenwirkt, so erhält man eirne Annäherung der Charakteristik
an eine gerade Linie. Besonders zweckmäßig können zu diesem Zwecke Federn verwendet
werden, deren Weg-Kraft-Besetz kein lineares ist.
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Ein besonderer Vorteil der Steuereinrichtungen, bei denen der Rückführimpuls
aus cler am Rudermotor wirkenden Kraft abgeleitet wird, ist der, daß eine besondere
Rückführverbiiiclung zum Rudermotor entbehrlich ist. Diese Eigenschaft nlaeht die
Einrichtung für alle solche Steuer- und Regelzwecke besonders vorteilhaft, in denen
der Servomotor weit vorn Kraftschalter entfernt oder schwer zugänglich ist.
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Entsprechende Steuerungen können jeweils durch Ersetzen der mit Druckmittel
arbeitenden Organe durch die äquivalenten Organe aus der elektrischen Reglertechnik
aufgebaut werden.
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In den Abbildungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindnug schematisch
dargestellt. Fig: i zeigt eine Steuerung, bei der die auf den Kraftschalter von
den Steuerimpülsgelsern gegebenen Impulse entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit
verschieden übersetzt werden.
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Fig. ? zeigt eine Steuerung, bei der als Rückführinipuls ein dem Ruderdruck
proportionaler Impuls verwendet wird.
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Fig. 3 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform, deren Wirkung der in
Fig. 2 dargestellten Steuerung entspricht.
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In Fig. i ist i ein Aziniutkreisel üblicher Bauart, der mit einem
pneumatischen Impulsgeber 2 versehen ist. Der Impulsgeber besteht aus den Luftdüsen
3 und d., denen Luft durch die Leitung 5 zugeführt wird. Den Düsen 3 und .I gegenüber
liegen Auffangdüsen 6 und 7, clie durch Leitungen 8 und 9 finit einer Differenzdruckdose
io verbunden sind. Zwischen den Luftdüsen 3 und d. und den Auffangdüsen 6 und ;
befindet sich eine vom Azimutkreisel bewegte Kurvenscheibe i 1, die je nach der
Stellung die Auffangdüsen 6 und 7 verschieden stark abschirmt. Eine Kursänderung
des Fahrzeuges macht sich somit als Differenzdruck in der Dose io bemerkbar.
Mit
der in der Dose io befindlichen Membran 12 ist ein Wendezeigerkreisel13 gekuppelt.
Die von der Membran 12 und dem Wendezeigerkreisel 13 hervorgerufenen Bewegungen
des Gestänges 14 stellen in diesem Fall den Steuerungsimpuls dar. Das Gestänge 14
greift an einem Hebel 15 an, der um den festen Punkt 16 drehbar ist und eine
Führung 17 besitzt. Mit dem Hebel 15 arbeitet ein, mit dem als Strahlrohr dargestellten
Kraftschalter verbundener Arm i9 zusammen, der eine entsprechende Führung 2o besitzt.
In die Führungen -17 und 20 ,greift ein Verbindungsglied 2i ein, welches bei 22
geführt und um den Punkt 23 leicht drehbar ist. Das Kupplungsglied wird durch die
in der Dose 24 befindliche Membran 25 entgegen der Wirkung einer Feder 26 bewegt.
Die Dose 24 ist durch eine Leitung 27 mit dem als Staurohr 28 dargestellten Geschwindigkeitsmeßgerät
verbunden, auf welches die Luft bzw. das Wasser in Richtung der Pfeile 29 wirkt.
- Das Strahlrohr 18 ist um den Punkt 30 leicht drehbar und durch die einstellbare
Feder 31 an die Mittellage gefesselt. Das Strahlrohr, dem ein Druckmittelstrom zugeleitet
wird (nicht dargestellt), spielt vor den Auffangdüsen 32, 33 von denen Leitungen
34, 35 zum Rudermotor 36 führen. Der Rudermotorkolben 37 bewegt über ein Gestänge
38 das Ruder 3'g, welches um den Punkt 4o drehbar ist. Mit dem Kolben 37 ist ein
Arm 41 verbunden, der an ein Gestänge 42, 43 angelenkt ist. Zwischen den Stangen
42, 43 befindet sich ein nachgiebiges Glied, welches als Zylinder 44 dargestellt
ist, in dem sich ein Kolben 45 bewegt. Der Zylinder 44 besitzt eine Undichtigkeit
46. Die Stange 43 greift an ,einem um einen Punkt 47 drehbaren Hebel 48 an, der
mit Hilfe der Gabel 4.9 das Strahlrohr 18 über eine Blattfeder 5o im rückführenden
Sinne beeinflußt.
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Die Wirkungsweise der Steuerung ist folgende: Es sei eine Kursabweichung
des Fahrzeuges angenommen, auf Grund deren der Impulsgeber 2 eine Steigerung des
Druckes in der Leitung 9 und eine Verringerung des Druckes in der Leitung 8 hervorruft.
Die Membran 1= macht daraufhin einen Ausschlag nach links, bewegt den Hebel 15 entgegen
dem Uhrzeiger und lenkt das Strahlrohr 18 im 'Uhrzeigersinn. ab. Die Änderung der
Strahlrohrstellung hat eine Verstärkung des Druckes in der Leitung 35 zufolge, wodurch
der Kolben 37 nach links bewegt und das Ruder entgegen dem Uhrzeigersinn verstellt
wird. Über das Gestänge 41, 42, 43 wird der Hebel 48 um den Punkt 47 im Uhrzeigersinn
bewegt und führt das Strahlrohr 18 .entgegen dem Uhrzeigersinn zurück. Mit zunehmender
Fahrtgeschwindigkeit erhöht sich der Druck in der Membrankammer 24 und bewegt die
Membran mit dem Kupplungsglied 21 auf das Strahlrohr zu. Infolge des sich vergrößernden
Hebelarmes des Hebels 15 wird die Stärke des Steuerimpulses gegeniiber der an dem
sich verkleinernden Hebelarm des Armes i9 angreifenden, Kraft der Fesselungsfeder
31 des Strahlrohres geringer. Infolgedessen hat ein bestimmter Impuls der Impulsgeber
io und 13 bei -wach-' sender Geschwindigkeit einen immer geringeren Ausschlag des
Strahlrohres 18 und somit des Ruders 39 zur Folge.
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Das in Fig. 2 dargestellte Impulsgebersystem entspricht dem in Fig.
i dargestellten. Von dem Kursimpulsgeber führen die Leitungen io8, iog zu der Membrandose
i io, in dem sich die Membran 112 befindet. Mit der Membran ist wieder ein Wendezeigerkreisel
113 gekuppelt. Die Bewegungen der Membran 112 bzw. - des Wendezeigerkreisels 113
werden über ein festes Hebelgestänge 114, i i g auf das Strahlrohr 118 übertragen.
Das Strahlrohr ist um den Punkt 13o drehbar und mittels der Feder 131 an die Mittellage
gefesselt. Von den Auffangdüsen 132, 133 führen-Leitungen 13q., 135 zum Rudermotor
136, dessen Kolben 137 über ein Gestänge 138 das Ruder 139 um den festen
Punkt i4o dreht. Auf das Ruder 13.9 wirkt der Luft- bzw. Wasserdruck in Richtung
der Pfeile 129. Von den Leitungen 13q., 135 führen Leitungen 151, 152 zum Druchmeßsystem
153, welches beispielsweise eine Membran 154 enthält, die sich entgegen der Wirkung
der Federn 155, 156 bewegt. Von dem Druckmeßsystem 153 führt ein Gestänge 157, 158
zur Blattfeder 150, mit Hilfe deren das Strahlrohr 118 rückgeführt wird. Die Stangen
157, 158 sind durch ein nachgiebiges Glied 159 verbunden, welches aus einem Zylinder
16o mit darin sich bewegendem Kolben 161 besteht. Der Zylinder besitzt eirie Undichtigkeit
162, die mit der Drossel 163 geändert werden kann.
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Die Wirkungsweise der in Fig. 2 dargestellten Einrichtung ist folgende:
Bei einer Ablenkung des Strahlrohres iig entgegen dem Uhrzeiger gelangt das Strahlrohr
vor die Auffangdüse 132, verstärkt den Druck in der Leitung 134 und bewegt den Kolben
137 nach links. Infolgedessen wird. das Ruder i 39 entgegen dem Uhrzeigersinn abgelenkt
und gelangt in die gezeichnete Stellung.
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Zur Verstellung des Ruders ist eine gewisse-Kraft erforderlich, die
abhängig ist von der Gegenkraft, die die Luft bzw. das Wasser in Richtung der Pfeile
129 auf die Ruderfläche 139 ausübt. In Abhängigkeit von dem Ruderdruck bewegt das
Meßsystem 153 das Gestänge 157, 158 um ein gewisses Maß nach
links
und bewirkt eine Rückführung des Strahlrohres im Uhrzeigersinn. Die Wirkung der
Rückführung ist uni so kräftiger, je größer der Ruderdruck und somit die FahrtgeschwIndigkeit
ist.
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Der mit Hilfe des Systems 153 gemessene Ruderdruck wird in einen Weg
der Stange 157 verwandelt und erzeugt im nachgiebigen Glied einen der Kraft verhältnisgleichen
Druckmitteltnengeninipuls. Der Druckmittelmengenimpttls verschwindet durch die Drossel
163 mit veränderlicher Zeitkonstante.
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In der geänderten Ausführungsform nach Fig.3 sind 2o8, 2oc9 die zur
Membrandose 21O führenden Leitungen des Impulsgebers. Die Membran 212 bewegt über
einen Hebel 21.I und den Arm 219 das Strahlrohr 218. Von den Auffangdüsen
23 2, 233 führen Leitungen 23d, 235 zum Rudermotor. Von den Leitungen
234, 235 führen Abzweigungen 251, 252 zu einem Zylinder 253, in dem sich
ein Kolben 25d entgegen der Wirkung des Federkörpers 253 bewegt. Bei Volumenänderungen
der durch den Federkörper 255 eingeschlossenen Luft entstellt in der Leitung 270
eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Druckes, wodurch die -Membran 261 in der
Membrandose 26o beaufschlagt wird. 'Von der Membran 2!-#i führt eine Verbindungsstange
258 zu dein starren Arm 25o des Strahlrohres 2t@. Die durch die Volumenänderung
des Federkörpers hervorgerufene Drucklinderung kann sich über die Drossel 263 ausgleichen.
Erfolgt der Druckausgleich erst in verhältnismäßig langer Zeit, so kann sich die
normalerweise praktisch linear verlaufende Abhängigkeit zwischen Verstellweg des
Kolbens 25.I und Druckänderung innerhalb des Federkörpers 2;5 infolge des Auftretens
von starken Kompressionserscheinungen dein hyperbolischen Verlauf des Druck-.
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volumengesetzes nähern. Um auch unter diesen Betriebsbedingungen einen
linearen Druckwegverlauf zu erhalten, ist es zweckmäßig, zusätzlich gegen den Kolben
254 eine Feder 272 wirken zu lassen. Es kann hierfür in bekannter Weise eine Feder
272 niChtlinearer Charakteristik verwendet werden.
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Die Wirkungsweise der in Fig.3 dargestellten Einrichtung ist folgende:
Bei Ablenkung des Strahlrohres 218 entgegen denn Uhrzeigersinn bewegt sich der Kolben
2;q. im Zylinder 253 nach oben. Luft entweicht aus dein Federkörper 255, beaufschlagt
die Membran 261 und entweicht mit einer gewissen Zeitkonstante ins Freie. Die Membran
26t bewegt sich nach links und stellt (las Strahlrohr int Uhrzeigersinn zurück.
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Im Gegensatz zu den in .Fig. i und 2 gezeigten Beispielen ist in Fig.
3 das Rückführgestänge durch starre Ausbildung des Teils 25o starr ausgeführt. In
diesem Falle wirkt die von der Membran 261 ausgeübte Rückführkraft entgegen der
von der Membran 2[2 ausgeübten Verstellkraft. Arbeitet beispielsweise das nachgiebige
Glied 16o in Fig.2 pneumatisch, so ist infolge der Zusanimendriickbarkeit der Luft
die Feder i 5o entbehrlich und kann durch ein starres Teil ersetzt werden. Arbeitet
das nachgiebige Glied hydraulisch, so muß eine Nachgiebigkeit im Gestänge infolge
der Nichtzusammendrückbarkeit des hydraulischen Druckmittels vorgesehen werden.