DE708556C - Vorrichtung zum Waagerechterhalten eines Koerpers, insbesondere Kreiselhorizont - Google Patents

Description

Es sind Vorrichtungen bekannt, die einen auf bewegter Unterlage gelagerten Körper mit Hilfe von zwei Kreiseln waagerecht erhalten, die unabhängig voneinander schwingen können und um lotrechte Achsen umlaufen. Auf eine solche Vorrichtung, insbesondere auf einen Kreiselhorizont, bezieht sich die vorliegende Erfindung. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Kreisel um die eine horizontale Kardanachse eine geringe Gewichtsfesselung hat, um die andere Kardanachse aber eine hohe Gewichtsfesselung, und daß die beiden Horizontalachsen mit hoher Fesselung rechtwinklig zueinander stehen, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß der waagerecht zu erhaltende Körper an. den Bewegungen der Kreisel um ihre Achsen hoher Fesselung teilnimmt. Diese Bewegungen nämlich sind sehr gering, so daß der Körper mit sehr großer Genauigkeit waagerecht erhalten wird. Die Achse eines jeden Kreisels beschreibt eine Präzessionsellipse, und der waagerecht zu erhaltende Körper nimmt nur an derjenigen Bewegungskomponente teil, die der kurzen Achse der Ellipse entspricht. Infolge der verhältnismäßig starken Fesselung der Kreisel wird der Nordfehler infolge der Erddrehung so gering, daß er praktisch vernachlässigt werden kann. Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Einstellkraft für die beiden Lagen des Körpers um seine beiden Horizontalachsen viel größe» ist, als es, der Fall wäre, wenn der Körper durch einen Vertikalkreisel waagerecht gehalten würde, der um beide Kardanachsen gleich stark gefesselt ist.

Es ist zwar bereits vorgeschlagen worden, einen Körper durch einen Kreisel waagerecht zu erhalten, dessen beide Kardanachsen in verschiedener Höhe über dem Kreiselschwerpunkt liegen, so daß die Gewichtsfesselung um die eine horizontale Kardanachse geringer als um die andere ist (Patent28i 952). Bei dieser Anordnung wird der Körper jedoch nur in einer bestimmten Azimutrichtung waagerecht gehalten, während er in der hierzu senkrechten Azimutrichtung ziemlich starke Schwingungen ausführt.

Zweckmäßig werden die beiden Kreisel in an sich bekannter Weise unabhängig voneinander gedämpft. Auch kann in an sich bekannter Weise der den Körper und die Kreisel tragende Rahmen azimutfest gehalten werden, etwa durch ein Übertragungssystem von einem Kreiselkompaß aus.

In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. In diesen zeigt

Fig. ι in schaubildlicher Darstellung eine Anordnung mit nebeneinanderliegenden Kreisein,

Fig. 2 in schaubildlicher Darstellung eine Anordnung mit übereinanderliegenden Kreiseln, und

Fig. 3 zeigt ein Schwingungsdiagramm. Wie Fig. ι zeigt, ist auf dem lotrechten Lagerzapfen 20 eines schiffsfest angeordneten Fußes 21 eine Drehscheibe 22 gelagert, die

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einen Zahnkranz 3 trägt. Dieser kämmt mit dem Ritzel 2 eines auf dem FuIj 21 angeordneten Empfängermotors 1, der an einem Mutterkompaß angeschlossen ist und dazu dient, die'Drehscheibe 22 um den Betrag der Kursänderungen des Schiffes zurückzudrehen, um hierdurch die Drehscheibe 22 azimutfest zu halten.

Die Drehscheibe 22 trägt zwei in Durchmesseinrichtung gegenüberliegende Lagerböcke mit Lageraugen zur Aufnahme der Zapfen 7 eines annähernd waagerechten Schwenkrahmens 8. Dieser Schwenkrahmen trägt zwei einander waagerecht gegenüberliegende Lagerzapfen 10, deren gemeinsame Achse rechtwinklig zur Achse der Zapfen 7 liegt und auf denen der Horizontspiegel 9 schwenkbar gelagert ist. An dem Horizontspiegel sind zwei abwärts ragende Lagerarme 6 befestigt, in deren unteren Enden die waagerechten Drehzapfen 5 einer Kreiselkappe 4 ruhen. In der Kreiselkappe ist mit lotrechter Achse ein Kreisel angeordnet, der in bekannter Weise elektromotorisch angetrieben und durch bekannte Mittel gedämpft wird. Die Achse der Lagerzapfen 5 liegt unterhalb der Achse der Lagerzapfen 10 und kreuzt diese rechtwinklig. Der Schwerpunkt der Kreiselkappe 4 und des Kreisels liegt dicht unter der Achse der Zapfen 5, so daß die Kreiselkappe 4 um die Kardanachse 5 mit geringer Gewichtsbeschwerung pendeln kann. Der gemeinsame Schwerpunkt der Kreiselkappe 4 nebst Kreisel und des Spiegelgestells 9, 6 liegt jedoch in erheb-Hohem Abstand von der Kardanachse 10, so daß der Kreiselträger 4 um diese Kardanachse nur mit erheblicher Gewichtsbeschwerung pendeln kann. In dem Rahmen 8 ist neben dem Spiegel 9 ein zweiter Kreisel mit lotrechter Umlaufachse gelagert. Die Kappe 11 dieses Kreisels trägt waagerechte Lagerzapfen iz, die in L'agerbohrungen des Rahmens 8 ruhen und deren gemeinsame Achse parallel zu derjenigen der Zapfen 10 liegt und dicht über dem Schwerpunkt der Kreiselkappe 11 und des darin befindlichen Kreisels verläuft. Der Kreiselträger 11 kann daher um die Kardanachse der Zapfen 12 mit sehr geringer Gewichtsbeschwerimg pendeln, während er um die zweite Kardanachse 7 nur unter Anheben des Gewichts des Kreisels 4, also nur mit sehr erheblicher Gewichtsbeschwerung pendeln kann. Die beiden horizontalen Achsen der Zapfen 7 und 10 mit hoher Gewichtsfesselung stehen also senkrecht aufeinander.

fm die Wirkungsweise dieser Anordnung zu erkennen, stelle man sich, vor, daß beide Kreisel laufen, und daß man den Kreiselträger 4 aus seiner Ruhelage auslenkt. Seine Achse wird dann e-iue Präzessionsellipse beschreiben, deren Achsen sich zueinander umgekehrt verhalten wie die Wurzeln aus den anzuhebenden Gewichten. Die lange Achse •liegt parallel der Kardanachse 10. Demgemäß ■fü^irt der Kreiselträger 4 erhebliche Schwingiftigen um die Achse 5, aber nur geringe Schwingungen um die Achse 10 aus. Bei einer Auslenkung des anderen Kreiselträgers 11 beschreibt dessen Achse ebenfalls eine gestreckte Ellipse, deren lange Achse der Kardanachse 7 parallel liegt. Der Kreiselträger 11 schwingt also in erheblichem Maße um die Achse 12, während der von ihm beherrschte Rahmen 8 nur geringe Schwingungen um die Achse 7 ausführt. Wie man sieht, nimmt also der Spiegel 9 nur an den durch die kurzen Achsen der Präzessionsellipsen gekennzeichneten Winkeländerungen der Kreiselachsen teil, während die großen Ausschläge des Kreiselträgers 4 um die Achse 5 und des Kreiselträgers 11 um die Achse 12 den Spiegel nicht beeinflussen. Es wäre daher ganz unnötig, daß der Kreiselträger 4 eine genaue Einstellung um die Achse 5 und der Kreiselträger 11 eine genaue Einstellung um die Achse 12 erhielte. Es ist eben der besondere Vorzug dieser Anordnung, daß die Einstellkraft für die NuIlage des Spiegels um seine beiden Horizontalachsen unvergleichlich viel größer ist als bei einem Vertikalkreisel mit symmetrischen Kardanachsen und gleicher mittlerer Schwingungszeit.

Diese starke Gewichtsfesselung bedingt ferner, daß der Nordfehler infolge der Erddrehung so gering wird, daß er in die Genauigkeitsgrenzen des Gerätes fällt und nicht besonders berücksichtigt oder ausgeglichen werden muß.

Wie vorstehend erwähnt, kommt es für die genaue Einstellung des Spiegels nicht darauf an, daß die Rotationsachsen der Kreisel genau vertikal stehen, sondern nur darauf, daß die Schwenkachsen 5 und 10 genau horizontal gehalten werden. Bei Drehungen des Gerätes um die Hochachse wurden allerdings solche Abweichungen störend wirken; denn nach einer Drehung von beispielsweise 90⁰ würden diese Abweichungen voll in der Stellung des Spiegels bemerkbar sein. Aus diesem Grunde wird das ganze Gerät durch den an einen Kreiselmutterkompaß angeschlossenen Empfängermotor ι azimutfest gehalten. Wenn man höhere Anforderungen an die Genauigkeit des Gerätes stellen will, kann man den restlichen, wie erwähnt, nur sehr kleinen Nordfehler dadurch vollständig unterdrücken, daß man den Rahmen 6, 9 einseitig um einen geringen Betrag beschwert.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind die beiden Kreisel untereinander angeordnet. iao Auf dem lotrechten Lagerzapfen des gchiffsfest angeordneten Fußes 16 ist mit geringer

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Reibung frei drehbar ein Rahmen 23 angeordnet, der ebenso wie der Rahmen 22 des anderen Ausführungsbeispiels azimutfest gehalten wird. Hierzu dient jedoch nicht wie dort ein Nachdrehmotor, sondern ein Richtkreisel 17 mit verhältnismäßig großer Masse und waagerechter Umlaufachse, dessen Kreiselträger um waagerechte Zapfen 24 schwingend an abwärts ragenden Armen 25 des Rahmens 23 aufgehängt ist. Zwischen den aufwärts ragenden Armen des Rahmens 23 sind parallelachsig zwei waagerechte Rahmen 13 und 15 gelagert. Der Horizontalspiegel 26 ist seinerseits mit waagerechten Zapfen 27, deren gemeinsame Achse rechtwinklig zu derjenigen der Rahmenzapfen 28 liegt, in dem Rahmen 13 gelagert und mit abwärts ragenden Armen 29 versehen, in deren unteren Enden die waagerechten Lagerzapfen 30 der Kreiselkappe 31 ruhen. Der Schwerpunkt der Kreiselkappe 31 nebst ihres Kreisels liegt wiederum dicht unterhalb der Achse der Zapfen 30, so daß die Kreiselkappe 31 mit geringer Gewichtsbeschwerung um die Zapfen

'25 30 zu pendeln vermag. Der gemeinsame Schwerpunkt der Kreise^cappe 31 nebst Kreisel und des Rahmens 29, 26 liegt jedoch in erheblichem Abstand unterhalb der Achse der Zapfen 27, so daß die Pendelungen um diese Achse mit erheblicher Gewichtsbeschwerung erfolgen.

In dem unteren Rahmen 15 ist eine zweite Kreiselkappe 32 gelagert, und zwar erstrecken sich deren Lagerzapfen 33 wiederum rechtwinklig zu den waagerechten Lagerzapfen 34 des Rahmens 15. Der Schwerpunkt der Kreiselkappe 32 des darin befindlichen Kreisels mit lotrechter Umlaufachse liegt dicht unterhalb der Achse der Zapfen 33. Die Kreiselkappe 32 vermag daher um die Zapfen 33 mit geringer Gewichtsbeschwerung zu schwingen. Die beiden Rahmen 13 und 15 sind durch eine Kuppelstange 14 derart miteinander verbunden, daß sie stets parallel bleiben. Aus diesem Grunde vermag die Kreiselkappe 32 um die Achse der Zapfen 34 nur unter Anheben des Gewichts der Kreiselkappe 31 zu pendeln, also nur unter erheblicher Gewichtsbeschwerung. Die Wirkungsweise entspricht daher in jeder Hinsicht derjenigen in Fig. 1. Um kurze Beruhigungszeiten nach dem Anlassen oder nach etwaigen Störungen zu erhalten, wird jeder der beiden Kreisel mit einer Dämpfung bekannter Art ausgestattet.

Wenn das Gerät angelassen und eingeschwungen ist, wird der Spiegel in genau derselben Weise wie die Spiegelfläche jedes künstlichen Horizontes für die Beobachtungen mit Sextanten oder Oktanten benutzt. Der Einfluß etwaiger kleiner Restschwingungen nach dem Anlassen oder von Störschwingungen nach Kursänderungen großen Ausmaßes kann durch mehrfache Wiederholung der Beobachtung und Mittelbildung beseitigt werden. Versuche haben ergeben, daß bei mittelschwerer See die Beobachtungswerte fast genau auf einer Sinuskurve lagen, die eine Amplitude von etwa 6 bis 8 Bogenminuten und eine Periode von etwa 90 Sekunden besaßen, während die Beruhigungszeit, d. h. die Zeit zwisehen Einschalten des elektrischen Stromes und Beginn der Beobachtungen, etwa 5 Minuten betrug.

Da der den Spiegel 9 oder 26 tragende Rahmen mit großer Genauigkeit waagerecht gehalten wird, kann er als Steuerorgan einer Fernstabilisierungsanlaige dienen, bei der durch Übertragungseinrichtungen bekannter Art (Patent 235 749 und 556 193) an anderen Stellen des Schiffes optische Geräte oder Geschütze oder andere Gegenstände um eine oder beide Horizontalachsen stabilisiert werden. In diesem Fall steuert dann der Rahmen 9 oder 26 die Übertragungsmittel, und er braucht zu .diesem Zweck offensichtlich nicht mit einem Spiegel ausgerüstet zu werden.

Die Bewegungen eines unter Steuerung durch den Kreiselhorizont servomotorisch stabilisierten Körpers gegen das Schiff kann in bekannter Art durch Geräte fortlaufend aufgezeichnet werden. Die Bewegung der servomotorisch stabilisierten Körper kann aber auch gemessen werden in bezug auf die Bewegung von Körpern, die auf andere Weise stabilisiert werden, z. B. durch Kreiselapparate sehr langer oder unbestimmter Schwingungszeit, wie Trägheitsrahmen u. dgl. So zeigt Fig. 3 in einem Koordinatensystem, auf dessen Abszisse die Zeit und auf dessen Ordinate die Schwingungswinkel aufgezeichnet werden, durch die Kurve A die Aufzeichnung eines DifEerentialschreibers, der die Unterschiede in der Stellung des kurz schwingenden Horizontes nach der Erfindung und der Stellung eines langsam schwingenden Gerätes, beide gegen das Schiff gemesser}, widergibt. Die Linie B der Fig. 3 gibt die durch das Auge oder durch Rechnung ermittelte Nullinie für die Pendelungen des kurz schwingenden Gerätes und damit das Maß für das allmähliche Auswandem des langsam schwingenden gegen den wahren Horizont.

Etwas Ähnliches ist für die Prüfung von Geräten zur Angabe der Drehungen des Schiffes um die Hochachse bereits durch das Patent 514367 vorgeschlagen worden. Es liegt aber auf der Hand, daß eine Grundkurve wenig praktischen Wert hat, die aus einer Vielzahl von Schwingungen ermittelt- werden soll, von denen jede einzelne 7000 bis 9000 Sekünden dauert. Bei Verwendung des Kreiselhorizonts nach der vorliegenden Erfindung

zur Angabe der Vertikalen (nicht des Meridians wie in Patent 514 367) wurden dagegen Doppelschwingungen = 12 Umkehrpunkte nur knapp 10 Minuten in Anspruch nehmen. 5

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   ι . Vorrichtung zum Waagerechterhalten eines Körpers, insbesondere Kreiselhorizont, bei der der Körper durch zwei unabhängig voneinander schwingende, um lotrechte Achsen umlaufende Kreisel beeinflußt wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Kreisel um die eine horizontale Kardanachse eine geringe, um die andere eine hohe Gewichtsfesselung hat und daß die beiden Horizontalachsen mit hoher Fesselung (7 und 10) rechtwinklig zueinander stehen, derart, daß der waagerecht zu erhaltende Körper (9 oder 26) an den Bewegungen der Kreisel (4, 11) um ihre Achsen hoher Fesselung (7, 10) teilnimmt.
2. 2. Kreiselhorizont nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Kreisel (4, 11) unabhängig vom anderen gedämpft wird.
3. 3. Kreiselhorizont nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Kreisel und den Spiegel tragende Rahmen (22) vom Übertragungssystem (1) eines Kreiselkompasses azimutfest gehalten wird.
4. 4. Kreiselhorizont nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Spiegel (26) und Kreisel (31, 32) durch einen Kreisel (17) von drei Freiheitsgraden annähernd azimutfest gehalten wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen