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Magnetkompaß Die Erfindung bezieht sich auf kardanisch aufgehängte
Magnetkompasse, die insbesondere für die Verwendung in Luftfahrzeugen bestimmt sind.
Es sind Richtungsanzeigeinstrumente bekanntgeworden, die aus einem kardanisch aufgehängten,
zusätzlich durch einen Kreisel mit lotrechter Umlaufachse stabilisierten Magnetsystem
bestehen, welchem ein in Azimut drehbares Anzeigeorgan durch eine vom Magnetsystem
gesteuerte Kraft nachgesteuert wird.
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Bekannte Geräte dieser Gattung sind mit einem Kreisel mit zwei Freiheitsgraden
und waagerechter Umlaufachse ausgerüstet, auf den vom Magnetsystem her Drehmomente
ausgeübt werden. Der Kreisel bewirkt mittels seiner durch die Drehmomente hervorgerufenen
Präzessionskräfte die Nachsteuerung des Anzeigeorgans im Azimut und kann aus diesem
Grunde als Servomotor angesprochen werden.
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Diese bekannten Geräte weisen ein dauerndes Pendeln des Anzeigeorgans
auf, da bei jeder Abweichung des Gerätes aus der Sollstellung auf das Anzeigeorgan
eine Nachsteuerkraft ausgeübt wird, die dem Anzeigeorgan eine Beschleunigung erteilt,
so daß dieses über die Sollstellung hinausschwingt.
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Eine derartige Neigung zum Pendeln weisen von einem Richtungsgeber
gesteuerte Systeme allgemein auf, wenn sie mit großer Masse behaftet sind. Es ist
bekannt, solche Massenschwingungen des zu stabilisierenden Körpers durch Einsteuern
seiner Winkelgeschwindigkeit im dämpfenden Sinne zum Verschwinden zu bringen.
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Bei nachgesteuerten Anzeigeorganen kann die Neigung zu Eigenschwingungen
in ein facher Weise durch möglichst leichte Ausbildung des nachgesteuerten Systems
geschehen. Diese Maßnahme versagt jedoch, wenn das steuernde Gerät selbst zu Eigenschwingungen
neigt. Dies trifft in besonderem Maße für Nadelkompasse zu, die eine Anzeigevorrichtung
nachsteuern. Bei elektrisch nachgesteuerten Tochterrosen hat man die Schwingungen
des Magnetsystems selbst durch Verwendung einer Flüssigkeitsdämpfung herabgesetzt,
was aber im Hinblick auf die Anzeigegenauigkeit unerwünscht ist.
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Bei Verwendung eines zu Eigenschwingungen neigenden Magnetsystems
ist statt dessen nach der Erfindung die Nachsteuler bewegting des Anzeigeorgans
durch die Präzession eines von dem nachgesteuerten System getragenen Kreisels mit
zwei Freiheitsgraden gedämpft. Der bei einer bekannten Anordnung verwendete Servomotorkreisel
übt eine Dämpfungswirkung nicht aus, da seine Präzessionsbewegung jeweils die Nachsteuerbewegung
hervorruft, während es Aufgabe eines Dämpfungskreisels ist, der Nachsteuerbewegung
entgegenzuwirken. Benutzt man also für die Nachsteuerung die Präzessionsbewegung
eines
Kreisels, so ist ein zweiter Kreisel erforderlich, um die gewünschte Dämpfung herbeizuführen,
d. h. zu verhindern, daß das nachgesteuerte Syste sämtliche Schingungen des Gebergerä
mitmacht.
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Es ist vorteilhaft, die vom Kreisel gebenen Dämpfungsimpulse auf
den gleichen vom Iagnetsystem betätigten, die Nachsteuerkraft schaltenden Kraftschalter
zur Einwirkung zu bringen. Hierdurch erfolgt eine Überlagerung der Steuer- und Dämpfungsimpulse,
so daß eine beruhigte Anzeige des .Anzeigeorgans erreicht wird.
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Besonders zweckmäßig wird die Nachsteuerkraft durch Druckmittelstrahlen
ausgeübt, die in bekannter Weise gesteuert werden können vermittels einer Exzenterscheibe,
die das Verhältnis zweier ein Differenzdruckdosensystem beaufschlagender Druckluftstrahlen
ändert, wenn das Magnetsystem aus einer neutralen Lage abweicht.
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Der wesentliche Vorteil der Verwendung von Druckmittelstrahlen gegenüber
den bekannten. mit Priizcssionskräften arbeitenden Geräten ist der, daß die Nachsteuerkräfte
keine unerwünschte Rückwirkung auf bewegliche Teile des Kreiselsystems ausüben,
wodurch störende Präzessionsbewegungen ausgelöst werden können.
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Um das Gerät gegen seitliche Beschleunigungen unempfindlich zu machen,
empfiehlt sich die Aufhängung des Magnetsystems bei im Azimut drehbarem Träger im
neutralen Gleichgewicht.
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In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens
schematisch dargestellt.
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Abb. 1 zeigt einen lotrechten Schnitt durch die Anordnung; Abb. 2
zeigt eine Ausführungsform der zur Nachführung des Kardanrahmens dienenden Einrichtung;
Abb. 3 zeigt die Anordnung des steuernden und rückführenden Gestänges.
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In der oberen und unteren Deckplatte 1 bzw. 7 eines an dem Flugzeug
zu befestigenden Gehäuse ist der Anzeigerahmen 3 um eine lotrechte Achse 4 drehbar
gelagert. Der Rahmen 3 trägt entweder eine hier nicht gezeichnete Kursrose, die
von außen her, zweckmäßig durch ein im Gehäuse angebrachtes, hier im Schema nicht
gezeichnetes Fenster, beobachtet werden kann, oder es wird die Stellung des Anzeigerahmens
durch einen durch die Deckplatte geführten Lagerzapfen 4 außen sichtbar gemacht
oder fernübertragen. Der Anzeigerahmen 3 trägt die Lager j für einen waagerechten
Kardanrahmen 6, welcher das eigentliche Kompaßgehäuse 7 trägt, das um eine zur Achse
5 senkrechte, nicht dargestellte innere Kardanachse drehbar angeordnet ist. Das
Gehäuse 7 besteht aus zwei Teilen 8 und 9. In Teil 8 ist die Achse 10 gelagert,
welche Magnetsystem 1 1 trägt. Das Gehäuse ist als Lager für den Kreisel I2 auserdet,
dessen Achse 14 in der Verlängeder Achse 10 liegt. Wird der Kreisel 14 in schnelle
Drehung versetzt, so ist er bestrebt, bei ursprünglich vertikaler Richtung seiner
Umlaufachse, diese im Raum beizubehalten, also die Richtung der Kompaßachse in der
wahren Vertikalrichtung zu halten, so daß der Kompaß, unbeeinflußt von seitlichen
Beschleunigungen, die wahre magnetische Nordrichtung anzeigen kann. Da bekanntlich
ein kräftefreier Kreisel infolge der unvermeidlichen Lagerreibungen und infolge
der Erddrehung allmählich Ablenkungen aus seiner Anfangsrichtung (aus der Richtung
des wahren Lotes) erfährt, wird der Kompaß mit von Horizontkreiseln her bekannten
Stützeinrichtungen versehen. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung
werden zu diesem Zweck in bekannter Weise zwei Pendel paare verwandt, welche Auslässe
für Druckluft steuern. Der Kreisel selbst wird daher zweckmäßig mit Druckluft betrieben,
die bei 15 in das untere Spurlagert6 des vertikalen Anzeigerahmens 3 eintritt und
durch einen Kanal 17 in demselben in ähnlicher Weise in den Hohlraum 18 des Kardanrahmens
6 gelangt. Von diesem gelangt die Druckluft in ähnlicher Weise durch die Lagerung
des Kompaßgehäuses 8, 9 in dem Kardanrahmen 6 in den Ringraum 19 des Gehäuseteiles
9. Von hier aus strömt die Druckluft durch Düsen 20, 21 gegen den Kreisel I2 und
versetzt diesen in schnelle Drehung. Aus dem Innern des Gehäuseteiles 9 gelangt
die Druckluft durch Zuleitungen 22 in den unteren Teil des Gehäuseteils 8, dem sie
durch zwei Schlitzpaare 23a, 23b entströmen kann. Vor dem Schlitzpaar 23a spielt
das Pendelpaar 24a, während vor dem anderen dazu senkrechten Schlitzpaar 23 ein
weiteres nicht dargestelltes Pendelpaar spielt. Die Anordnung der Pendel ist so
getroffen, daß bei genau lotrechter Stellung der Achsen 10 und 14 des Magnetsystems
und des Kreisels die beiden Pendel eines jeden Paares die beiden zugehörigen Schlitze
derart verdecken, daß beiden die gleiche Menge Druckluft entströmt. Schlägt aber
z. B. das Pendelpaar 24a infolge einer Neigung des Gehäuses 9 um die äußere Kardanachse
5-5 aus, so wird die eine der Düsen 23a mehr abgedeckt, die andere weiter geöffnet.
Dadurch ändert sich das Verhältnis der Stärke der ausströmenden Luftströme, so daß
durch die Rückstoßkräfte
der Luftströme gegetiüher der nmgebenden
Luft ein Drehmonient auf das Gehäute 7 um die zu der Achse des Pendelpaares 24a
senkrechte innere Kardanachs ausgeübt wird. Dieses Drehmomen tveranla den Kreises
I2 zur Präzession um die gauß: Kardanachse, wodurch die waagerechte Stel: lung des
Gehäusesg wiederhergestellt wird.
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Das Entsprechende findet bei einem Ausschlag des anderen Pendelpaares
statt. Jede Abweichung der Achse 10 des Magnetsystems von der Richtung der Schwerkraft
löst demzufolge gegen den absoluten Raum wirkende Stützkräfte aus, welche bestrebt
sind, die Achse 10 in die Ausgangsrichtung zurückzuführen. Gegenüber kurzzeitig
wirkenden Störungen durch Beschleunigungskräfte hält der Kreisel 12 die Magnetachse
10 mit hinreichender Annäherung in der Richtung der wahren Vertikalen; während die
den Düsen 23a, 23b entströlnenden Druckluftstrahlen ein langsames Abweichen der
Achsen aus der Vertikalen infolge von Kreiselpräzessionen verhindern.
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Der Anzeigerahmen 3, der die Anzeigemittel trägt oder antreibt, wird
nun dem Magnetsystem winkelgetreu nachgesteuert.
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Dies geschieht in ähnlicher Weise wie die Stützung des Horizontkreisels
mit Hilfe von gegen den Raum gerichteten Luftstrahlen.
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Hierzu dient folgende Einrichtung: Das Innere des Kreiselgehäuses
g steht mit der Kammer 25 in dem Gehäuseteil 8 in Verbindung. Von der Kammer 25
ist eine weitere Kammer 26 abgeteilt, und zwar durch eine Wand 27, welche - zwei
als Düsen wirkende Bohrungen 28 enthält. Die Kammer 26 ist von der untersten Kammer
mit den Schlitzen 23a durch eine Wand 29 getrennt, die drei Bohrungen 30, 3I, 32
enthält. Die Bohrung 30 führt ins Freie und steht mit der Kammer 26 in Verbindung.
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Es entsteht eine Luftströmung, derart, daß aus den Düsen 28 zwei Luftströme
austreten, welche auf die Düsen 33 treffen, die in die Bohrungen 3I, 32 münden.
Auf der Achse 10 sitzt eine Exzenterscheibe34, welche je nach der Stellung den einen
oder den anderen der den Düsen 28 entströmenden Luftstrahlen absperrt. Dadurch wird
das Verhältnis, in dem die Düsen 33 von den Luftstrahlen getroffen werden, geändert,
so daß sich entsprechend das Verhältnis der Drucke in den Bohrungen 3I, 32 ändert.
An dem Gehäuse 9 ist eine Kammer 35 angeordnet, die Differenzdruckdosen 36 enthält.
Durch eine Leitung 37 ist das Innere der Kammer 35 und durch eine Leitung 38 das
Innere der Dose 36 mit den Bohrungen 31 bzw. 32 verbunden, so daß sich die Differenzdruckdose
36 entsprechend der Stellung des Magnetsystems II gegenüber dem Gehäuse einstellt.
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Die Bewegungen der Differenzdruckdose 36 werden durch ein Gestänge
41 auf einen Schieber 42 übertragen, welcher die Versorder der Düsenpaare43 und
44 mit Druckft steuert. Dies geschieht in der Weise, ß die Druckluftkammer I9, welche
durch -ein Rohr45 mit- &er Schieberhülse verbunden ist, durch den Schieber mit
der Öffnung 46 oder 47 verbunden wird. In dem einen Fall entströmt dem Düsenpaar
43, im anderen Falle dem Düsenpaar 44 (Abb. 2) Druckluft. Da die Düsenpaare senkrecht
zu der Ebene des Anzeigerahmens 3 angeordnet sind und sich nach entgegengesetzten
Richtungen öffnen, so wird in dem einen Fall auf den Rahmen ein Drehmoment im Uhrzeigersinn,
im anderen Fall ein Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn ausgeübt, und zwar derart,
daß der Rahmen 3 das Bestreben hat, dem Magnetsystem I I nachzufolgen.
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Um die Bewegungen des Anzeigerahmens zu dämpfen, ist ein weiterer
Kreisel 51 mit waagerechter Umlaufachse 54 vorgesehen.
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Seine Achse 54 ist in einem Rahmen 53 gelagert, der um eine gleichfalls
waagerechte Achse 52 in zudem Gehäuse g drehbar ist.
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Seinen Antrieb erhält der Kreisel durch einen aus der Düse 55 dem
Inneren des Gehäuses g entstromenden Luftstrahl.
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Die Verbindung zwischen dem Kreiselrahmen 53, der Differenzdruckdose
36 und dem Schieber 42 durch ein Gestänge ist in Abb. 3 schaubildlich dargestellt.
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Eine Bewegung der Dose 36 wird in eine Drehung der Welle 58 umgesetzt.
Der damit verbundene Arm 59 versetzt die Stange 60 in hin und her gehende Bewegung.
Die Stange60 greift um Arm 41 an und dreht die Welle 6I. Diese Drehbewegung wird
einerseits über den Arm 4I" und Lenker 57 auf den Kreiselrahmen 53 übertragen, wobei
der Kreisel 51 der Drehung seines Rahmens einen Widerstand entgegensetzt, den Einfluß
der Dose 36 also dämpft. Andererseit wird über des arm 4I' der Schieber 42 bewätigt.
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Wird nun Dadurch die Drehung der Anordnung unter Einfluß der den
Düsen 43 bzw. 44 entströmenden Luftstrahlen der Kreisel zur Präzession veranlaßt,
so betätigt er rückführend den Schieber42, während die Präzessionsbewegung andererseits
durch die federnde Wirkung der Dose 36 gedämpft wird. Durch die Präzessionsbewegung
gelangt der Schieber 42 in die Mittelstellung zurück und bewirkt dadurch ein allmähliches
Abschwächen der den Düsenpaaren43 oder 44 entströmten Luftstrahlen, so daß der Rahmen
3 aperiodisch zur Ruhe kommt.
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Der Anzeigerahmen 3, der dem Magnetsystem nachgesteuert wird, kann
mit einer Rose zur Anzeige der Kursrichtung ausgerüstet sein; er kann aber auch
mit einem bekannten Geber zur Betätigung eines Steuerzeigers, einer selbsttätigen
Steuerung oder von einer oder mehreren Tochterrosen ausgerüstet werden. Derartige
Einrichtungen sind hinreichend bekannt, so daß sich eine zeichnerische Darstellung
oder Beschreibung erübrigt.