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Selbsttätige Rudersteuerung für Fahrzeuge, insbesondere Luftfahrzeuge
Bei selbsttätigen Fleugzeugsteuerungen ist es bekannt, außer der Größe der Abweichung
von der Sollage auch die Geschwindigkeit dieser Abweichung als Steuergröße für den
Rudermotor zu verwenden, dessen Schaltvorrichtung eine Rückführung entsprechend
der Ruderbewegung erhält.
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Bisher wurden die genannten beiden Steuergrößen gewöhnlich durch zwei
getrennte Meßeinrichtungen ermittelt, z. B. durch einen die Größe der Kursabweichung
messenden Kompaß oder Azimutkreisel und einen die Winkelgeschwindigkeit der Kursabweichung
messenden Wendezeigerkreisel.
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Es ist jedoch auch schon vorgeschlagen worden, bei der Steuerung entsprechend
der Winkelabweichung und der Winkelgeschwindigkeit nur von einer einzigem Meßeinrichtung,
z. B, einem die Kursabweichung messenden Erdinduktorkompaß auszugehen und mit der
von diesem erhaltenen Steuergröße Differentiationsvorrichtungen zur Bildung der
zeitlichen Ableitung der Hauptsteuergröße zu beeinflussen. Hierfür sind bisher insbesondere
elektrische Röhrenschaltungen angegeben worden, die in vielen Fällen, insbesondere
in Flugzeugen, aus betriebstechnischen Gründen unerwünscht oder gar unmöglich sind.
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Die Erfindung bezieht sich bei einer kombinierten Steuerung entsprechend
der Größe und der Geschwindigkeit der Abweichung des Fahrzeuges von seiner Sollage
im Gegensatz zu den vorerwähnten Differentiationsvorrichtungen auf sich durch große
Betriebssicherheit und bauliche Einfachheit auszeichnende Einrichtungen:, durch
welche die Abweichungsgeschwindigkeit von dem die Größe der Abweichung messenden
Steuergeber, z.B. Kreisel, mit den üblicherweise im Flugzeug vorhandenen elektrischen
Spannungen erhalten werden kann.
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Erfindungsgemäß ist als Schaltvorrichtung ein elektrodynamisches Relais
vorgesehen, welches außer von Momenten entsprechend der Größe der Abweichung und
der Ruderbewegung noch von Stromstößen wechselnder Richtung beeinfiußbar ist, die
von einer zweipoligen Schaltvorrichtung erhalten werden, welche eine Grundschwingüng
konstanter Amplitude ausführt, deren Nullage von dem Richtungs- oder Lagengeber,
z. B,. Kreisel, entsprechend der Größe der Abweichung verschoben und von einem an
diese Kontaktvorrichtung angeschlossenen Nachdrehmotor zurückverschoben wird.
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Eine beispielsweise Ausführungsform der Rudersteuerung gemäß der Erfindung
ist schematisch in den Fig. i bis 3 veranschaulicht.
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Fig. i zeigt den Lagen- oder Richtungsgeber und die Kontaktvorrichtung.
Fig.2
veranschaulicht das elektrodynamische Relais mit den Bewegungsübertragungsvorrichtungen.
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Fig.3 gibt das Schaubild für wesentliche-Teile der Steuerung wieder.
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F ig. 4 zeigt ein Diagramm, das die EntZ stehung der durch die Ablenkungen
des Luftfahrzeuges in der vom Kreisel gesteuerten Kontaktvorrichtung entstehenden
Spannungen und den Verlauf dieser Spannungen abhängig von jenen Ablenkungen erläutert.
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Zur Bestimmung einer Bezugsrichtung ist als Richtungsweiser, und zwar
ein Kreisel i mit drei Freiheitsgraden vorgesehen, dessen fehlerhafte Auswanderungen
in bekannter Weise durch Verbindung mit einem magnetischen. Kompaß berichtigt sein
können.
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Dieser Kreisel betätigt bekannte Schaltanordnungen, die beispielsweise
aus einem Rollenpaar 2 bestehen, das von einem Arm getragen wird, der an der senkrechten
Richtachse 3 der Kreiselaufhängung sitz.t@. Die zwei Rollen wirken mit zwei gegeneinander
isolierten stromführenden Segmenten .4 zusammen, die auf einer isolierenden Scheibe
5 sitzen.
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Eine Schnecke 6 treibt eine Hilfsscheibe 7 an, die mit der Scheibe
5 durch einen Schwinghebel 8 verbunden wird, der an einer auf der Scheibe 7 sitzenden
Achse 9 angelenkt ist, während ein Stift io, der auf einem anderen Ende dieses Hebels
sitzt, in eine Öffnung eingreift, die in der Scheibe 5 ausgespart ist. Der Schwinghebel
8 stützt sich dabei ständig unter der Einwirkung einer Feder 9a auf einen Nocken:
i i, der mittels einer von einem (nicht dargestellten) Hilfsmotor angetriebenen
Achse 12 in stetige Drehung versetzt wird.
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Die Einrichtung arbeitet in folgender Weise: Unter dem Einfluß der
durch den Schwinghebel 8 der Scheibe 5 mitgeteilten Schwingungen wird von den Rollen
2, die an die Pole einer Batterie _0 angeschlossen sind, an die Segmente .4 abwechselnd
eine positive und eine negative Spannung angelegt, wobei der absolute Wert dieser
Spannung gleich der Spannung der Batterie O ist. Wenn nun die Rallen 2 in der Nullstellung
der Schalteinrichtung 2 bis 5 rsich in ihrer Mittellage genau auf die Trennlinie
der leitenden Segmente 4 legen, so haben die beiden Spannungswechsel gleiche Dauer
und Größe. Die Gesamtwirkung der gleichen Impulse von entgegengesetztem Vorzeichen
hebt sich also auf. Dieser Fall ist auf dem Diagramm a der Fig.4 dargestellt, auf
dem die Kurve des Verlaufs der Spannung e abhängig von der Zeit T gezeigt ist. Dabei
ist der Einfluß der Dicke der Trennlinie der leitenden Segmente 4 und anderer für
die hiesige Betrachtung vernachlässigbarer Nebenerscheinungen unberücksichtigt gelassen
worden.
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Wenn sich dagegen die zwangsläufig ge-.steuerte Schaltvorrichtung
2 bis 4. nicht im Gleichgewichtszustand befindet, wenn z. B. dem Luftfahrzeug eine
Kehrbewegung auferlegt wird, so werden die Rollen 2, da der Kreisel seine Richtung
beibehält, in bezug auf die Trennlinie der leitenden Segmente 4 verstellt.
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Hierbei weicht die Mittellage der Scheibe 5 von der Mittellage der
Rollen 2 ab, und aus dieser Unsynimetrie ergibt sich, daß die Zeiten, während welcher
die positiven und negativen Spannungen -f- e an die Segmente 4 angelegt werden,
ungleich werden. Dieser Fall ist auf dem Diagramm b der Fig. 4 erläutert. Bei einer
Gesamtzahl von k vollständigen Schwingungen, die je eine Schwingungsdauer t haben,
erhält man bei einer gegebenen Ablenkung der Rollen 2 aus der Nullstellung für den
Mittelwert der an die Segmente 4 angelegten Spannung den Wert:
Solange die, Steuerung den Ablenkungen genau entspricht, dreht sich der die Hilfsscheibe
7 und damit auch die Scheibe 5 gegenüber dem Kreisel i steuernde Nachdrehmotor 111
(vgl. das Schema der Fig. 3) mit einer Geschwindigkeit, die der Ablenkgeschwindigkeit
des Luftfahrzeugs proportional ist, und es stellt sich zwischen der gegenelektromagnetischen
Kraft dieses Motors M und dem Mittelwert der an den Segmenten 4 abgenommenen Spannung
E"= ein Gleichgewichtszustand her, der auf diese Weise den Wert von. E", bestimmt.
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Wenn dagegen die Ablenkgeschwindigkeit des Luftfahrzeugs genügend
groß wird, so daß die volle Geschwindigkeit des Nachdrehmotors vorübergehend nicht
mehr ausreicht, um die leitenden Segmente 4 in der Nähe der Rollen 2 getrennt zu
halten (d. h. wenn die Amplitude der Schwingung der Scheibe 5 nicht mehr größer
oder merklich größer ist als die auf die Winkelgeschwindigkeit des Luftfahrzeugs
zurückzuführendeVerstellung), so legen sich diese Rollen dauernd auf dieselben Segmente
4, und die Spannung ist keine Wechselspannung mehr, sondern dauernd gleich der Spannung
der Batterie O, wobei die schmalen Abschnitte der Kurve des Diagramms b vollkommen
verschwinden.
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Die die Änderungen des Mittehzerts der an den Segmenten 4 abgenommenen
Spannungen abhängig von der Ablenkung, d. h. der
Umlaufgeschwindigkeit
des Nachdrehmotors, darstellende Kurve zeigt dabei den, auf dem Diagramm c der Fig.
4 dargestellten vereinfachten Verlauf.
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An die Schaltvorrichtung 2, 4 ist ferner die Wicklung 14 des um die
Welle 15 einstellbaren Ankers eines Drehrelais mit Dauermagneten 13 angeschlossen
(Fig. 2). Dieses Relais verstellt die schwenkbaren Teile eines Umschalters, die
von zwei isolierten Armen 16 gebildet werden, welche Kontaktteile, wie 17 und 18,
tragen, die abwechselnd mit den entsprechenden Kontaktflächen, wie i9 und 20, in
Berührung kommen können, welche an den leitenden Klingen zi und 22 sitzen, die ihrerseits
an einem Isalierteil23 befestigt sind. Das Isolierstück 23 und der Dauermagnet 13
sind an dem um die Welle 15 frei drehbar gelagerten Bügel 24 befestigt. Auf den
Anker des Drehrelais wirkt eine Rückstellkraft, indem man seine Achse 15 fest mit
einer Blattfeder z5 verbindet, die zwischen zwei Zapfen eines bei 6o gleichachsig
mit der Wicklung 14 angelenkten Armes 27 gehalten ist. Dieser Arm 27 kann durch
eine Scheibe 28 verschoben werden, in welche eine radiale Rille 29 eingefräst ist,
in die der eine Stift 3o eines Hilfshebels 31 mit ortsfest gelagertem Drehzapfen
32 eingreift, während der andere Zapfen 33 dieses Hebels in die Gleitführung 34
des Armes 27 eingreift.
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Die Scheibe 2-8 wird bestimmungsgemäß durch eine Verlängerung der
Welle der Schnecke 6 (Fig. i), beispielsweise mittels einer biegsamen Welle, angetrieben.
Um nach Belieben einen Proportionalitätsfaktor einstellen zu können, erfolgt dieser
Antrieb mittelbar von der Schnecke 35 aus, die das Schneckenrad 36 antreibt, das
seine Bewegung der Scheibe 28 über einen Arm 37 mit veränderlicher Übersetzung mitteilt.
Dieser Arm 37 sitzt auf der Achse 38, die durch eine Gleitführung 39 verstellbar
ist; in die Gleitschlitze 40 und 41 dieses Armes 37 greifen die Stifte 42 und 43
ein, die beziehungsweise mit dem Kranz 36 und der Scheibe 28 fest verbunden sind.
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Man wirkt auf die Nullstellung des Galvanometerrelais ein, indem man.
den Ständer 24 und das magnetische System 13 sowie den von dem Isolierstück 23 und
den Metallklingen, 2i und 22 gebildeten Teil des Umschalters um die Achse 15 der
Wicklung 14 dreht.. Zu diesem Zweck ist der Bügel 24 durch einen Arm 44 verlängert;
am Ende dieses Armes sitzt ein Führungsstift 47, der durch die Gleitführung 46 eines
Hebels 5o mitgenommen wird, der seinerseits sich gleitend verschiebbar um einen
Zapfen 52 dreht, der von einer verstellbaren Schiene 53 getragen wird. Das linke
Ende des Hebels 5o ist an einem Zapfen der Mutter 48 einer Spindel 49 angelenkt,
die auf der Welle 57 axial verschiebbar gelagert ist. Die Welle 57 ist beispielsweise
mittels einer biegsamen Welle mit- dem Hilfsmotor der Ruder verbunden. Ein gerändelter
Knopf 54, der sich auf eine Buchse 56 aufschraubt, gestattet die Längsverschiebung
der Spindel 49, um nach Wunsch die mittlere Richtung des Hebels 5o einzustellen.
Dieser Hebel 5o sowie der Hebel 2,7
werden mit Zeigern62 und 58 versehen,
die sich bzw. vor Teilungen 59 und 61 verschieben, welche zur Erleichterung der
Einstellung der Vorrichtung dienen.
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Die Einrichtung gemäß Fig. 2 arbeitet folgendermaßen: Wird die an
den Bögen 4 abgenommene Spannung von wechselnder Richtung entweder unmittelbar oder
über eine Relais an die Wicklung 14 angelegt, so erhält diese ein. entsprechend
wechselndes Drehmoment, so daß sie eine schwingende Bewegung um eine Nullage ausführt.
Dieser Bewegung wirkt die rückstellende Feder 25 entgegen.. Die isolierten Arme
16 des Umschalters folgen der Schwingungsbewegung unmittelbar. Werden diese Kontaktarme
mit den Polen einer Batterie verbunden:, so erhält man in dem an den Kontaktarmern2i
und 22, die über Kreuz geschaltet sein können, angeschlossenen Kreis eine in der
Richtung wechselnde Spannung, die derjenigen entspricht, die an die Spule 14 angelegt
ist. Beide Spannungen. sind nicht nur zeitlich in Phase, sondern sie entsprechen
sich auch in ihrer Amplitude und ihrem resultierenden Mittelwert. Da nun die von
den Bögen 4 an die Spule 14 angelegte Wechselspannung, wie oben gezeigt werden konnte,
der Ablenkgeschwindigkeit des Luftfahrzeuges proportional ist, ist ersichtlich,
daß auch die an den Umschalterklemmen des elektrodynamischen Relais abgenommene
Spannung unmittelbar eine Funktion der Abweichungs.geschwindigkeit des Fahrzeugs
ist. Außerdem ist diese Spannung auch eine Funktion der Abweichung von der Fahrtrichtung.
Bei Abweichung von der Fahrtrichtung behält nämlich das Schneckenrad 36 seine ursprüngliche
Richtung ini bezug auf den festen Raum bei. Die Aussparung 29 der Scheibe 28 liegt
nun nicht mehr der Achse 32 des Hebels 31 gegenüber. Der Hebel wird daher abgelenkt,
entsprechend wird der Skalenarm 27 um seine Achse 6o gedreht, und außerdem wird
die Feder 25 von ihren Führungsanschlägen 26 um die Achse 15 gedreht. Auch durch
diese Drehung entsteht in dem mit den Kontaktarmen 21 und 22 verbundenen Kreis eine
Spannung, die nach Größe und Richtung wechselt und deren Mittelwert den Abweichungen
von der
Fahrtrichtung fast proportional ist, wenn diese Abweichungen
nicht sehr groß sind. Wenn zugleich an die Wicklung i4 eine Spannung gelegt wird,
so wird das elektrodynamische Relais zwei Momenten unterworfen, die diesen beiden
Spannungen entsprechen. Die Momente setzen sich dabei algebraisch zusammen. Diesem
Summenmoment entspricht die an dem elektrodynamischen Relais abgenommene Spannung,
die an den Ruderriiotor angelegt wird. Bei der Umwandlung der verschiedenen Momente
und Spannungen sind. gegebenenfalls die Federkennlinien sowie Kennlinien der elektrodynamischen
Einrichtung zu berücksichtigen. Diese algebraische Addition der elektrischen Momente
auf dem Relais 13, 14 wird jedoch nur für normale, -d. h. begrenzte Abweichungen
des Luftfahreuges von der eingestellten Fahrtrichtung gewährleistet, während sich
diese Momente nicht mehr genau algebraisch addieren, wenn diese Abweichungen zu
groß werden: in letzterem Falle erfolgt aber ein selbsttätiges Ausklinken der Vorrichtung.
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Denn wenn sich die Scheibe 28 in bezug auf das Fahrzeug um einen bestimmten,
verhältnismäßig großen Winkel gedreht hat, so gleitet der Stift 30 aus der
Aussparung 29 heraus und legt sich auf den Umfangsrand der Scheibe 28. Die Übertragungsvorrichtung
ist damit ausgeklinkt, und die Feder 35 wird nicht weiter gespannt. Durch diese
Möglichkeit des Ausklinkens kann also die größte Amplitude der Bewegung des Skalenarmes
27 auf einen angemessenen Wert beschränkt werden, bis zu dem sich die elektrischen
Momente noch mit genügender Genauigkeit auf dem Relais addieren.
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Gemäß Fig.3 werden die beiden Schnekken 6 und 35 durch einen Nachdrehmotor
J.I angetrieben, der durch die Kontaktvorrichtung gemäß Fig. i gesteuert wird. Die
beiden gegeneinander geschalteten Abwicklungen dieses Motors 111 liegen parallel
zu den Wicklungen des Relais 13, 1.l. und sind mit den Halbringsegmenten
4., 5 elektrisch verbunden. Die Erregung des Motors 1T erfolgt unabhängig von der
Batterie 0, an die auch die Rollen :2 angeschlossen sind.
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Die Spannung, die das elektrodynamische Relais 13, 14 entsprechend
der Winkelgeschwindigkeit der Kursabweichung des Fahrzeugs steuert, wird folgendermaßen
erzeugt: Wenn das Fahrzeug von seinem Kurs abweicht, behalten die Rollen 2 ihre
Richtung im Raume bei, da sie mit dem Kreisel verbunden sind. Die Halbringsegmente
4, 5 folgen dagegen der Bewegung des Fahrzeuges. Unter dem Einfluß der durch den
Exzenter i i hervorgerufenen Schwingung dieser Segmente 4, 5 empfängt der Motor
lt einen Strom, der nach Größe und Richtuni wechselt, wobei die Stromstöße der eine
Richtung größer sind als die der anderer Richtung. Infolgedessen wird der Motor
ir Drehung versetzt. Er dreht sich so lange bis die Nullage der Kontakteinrichtung
2, 4, ; wieder erreicht ist, d. h. die Rollen :2 wieder über den Isolierstücken
zwischen den Halb ringsegmenten 4., 5 liegen.
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Solange die Amplitude der Schwingunger der Halbringsegmente größer
ist als die Abweichung des Fahrzeugs von der Kursrichtung, was praktisch fast immer
der Fall sein wird, wird die Geschwindigkeit der Drehung des Motors 111 der Abweichungsgeschwindigkeit
des Fahrzeugs entsprechen oder proportional sein. Diese der Winkelgeschwindigkeit
der Kursabweichung entsprechenden Stromstöße werden auch dem Relais 13, 14 mitgeteilt
und rufen dort ein elektrodynamisches Moment hervor. Da andererseits die Achse 15
des Relais über die Feder 25 und eine einstellbare Hebevorrichtung 26-43 einem Moment
unterliegt, das dem Kursabweichungswinkel entspricht, so addieren. sich die beiden
Momente in dem Relais und werden von diesem auf den die Ruderbewegung steuernden
Motor übertragen.
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Weicht die Fahrtrichtung des Fahrzeugs von der Richtung ab, auf welche
die Steuerungsvorrichtung eingestellt ist, so wird diese Abweichung sich in einer
Verschiebung des Stiftes 3o auswirken. Dies hat eine Verschiebung oder Verdrehung
der Feder 25 durch die Führungsanschläge 26 zur Folge. Infolge der Drehung der Feder
wird auch das elektrodynamische Relais verstellt, so daß die Fahrtrichtungsabweichung
sich den anderen Einflüssen auf das Relais überlagert.
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Die Verstellungen des Relais wirken dann über die an den, Kontaktarmen
21, 22 abgenommene Spannung auf den Rudermotor ein. Das hat zur Folge, daß das Fahrzeug
gedreht wird. Hierdurch wird die Abweichung von der Sollrichtung vermindert, so
daß wiederum die Abweichungsgeschwindigkeit begrenzt wird. Wenn das Fahrzeug bei
seiner Drehung sich der Sollrichtung nähert, liegt die Aussparung 29 wieder der
Achse 32 gegenüber, die Feder 25 wirkt dann nicht mehr auf die Wicklung 14 ein,
und die isolierten Arme 16 weisen nur noch diejenige Spannung auf, die auf die Abw
eichungsgeschwindigkeit zurückzuführen ist. Diese Spannung wirkt allein auf das
Steuerruder, und zwar derart, daß diesem gegebenenfalls eine Gegenkraft erteilt
wird, die einen Ausschlag in der entgegengesetzten Richtung zur Folge hat. Hierdurch
wird das Fahrzeug daran verhindert, daß es sich merklich über die Sollrichtung hinausdreht.
Zur
Änderung der Fahrtrichtung wird zweckmäßig eine Verstellung zwischen dem Schneckenrad
7 und dem Schneckenrad 36 vorgenommen. Hierfür wird z. B. eine Verstellungsvorrichtung
in die Verbindung der beiden Räder eingeschaltet.
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Die Bewegungen der Achse 15 entsprechen den Ausschlägen, die man den
Steuerrudern mitzuteilen wünscht. Hierbei wird die Drehung des Rudermotors auf die
Welle 57 übertragen. Dann wiea-erholt der Hebel 50 unter Berücksichtigung eines
übersetzungsfaktors die Bewegungen des Ruders, die auf der Teilung 6 1 durch
den Zeiger 62 angegeben werden. Der Hebel 5o nimmt beider Drehung das Gestell 24
mit und dreht dieses um einen Winkel, der gleich demjenigen Winkel ist; um den sich
von selbst die Nullage der Wicklung 14 gedreht hat.
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Der Proportnonalitätsfaktor dieser zwangsläufigen Steuerung kann dadurch
geändert werden, daß man die Gleitschiene 53 verschiebt, wodurch das Übersetzungsverhältnis
der Hebelvorrichtung 45-52 verändert wird.
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In ähnlicher Weise kann. man: die Wirkung beeinflussen, die durch
die Winkelabweichung von der Fahrtrichtung entsteht. Hierfür wird die Gleitschiene
39 verschoben und dadurch das Übersetzungsverhältnis bei der Hebelvorrichtung 4o-43
entsprechend verändert Zur Regelung können auch Widerstände vorgesehen sein, die
vor die Spule 14 oder vor den Rudermotor geschaltet sind. Die Verstellvorrichtungen
erlauben es, die Rudersteuerung gemäß der Erfindung für die verschiedensten Fahrzeuge
in gleicher Weise zur Stabilisierung und Dämpfung zu verwenden.
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Wird das Fahrzeug z. B. infolge eines baulichen Symmetriefehlers oder
infolge einer Unstimmigkeit zwischen den Antriebsmotoren ständig außerhalb der Gleichgewichtslage
gehalten; so wird sich eine Ablenkbewegung und eine mittlere Schräglage des Steuerruders
ergeben, die auf der Skala 61 abgelesen werden können. Entsprechend würde eine Änderung
der Fahrtrichtung bewirkt werden, die auf der Skala 59 ersichtlich wird. Will man,
nun erreichen, daß die Steuervorrichtung wieder in der üblichen Weise arbeitet,
so kann dies dadurch erzielt werden, daß der Zeiger 62 mit Hilfe der mit Gradeinteilung
versehenen Rändelmutter 54 über die Schraube 49 in die ursprüngliche Mittel- oder
Nullage zurückgestellt wird. Die Drehung der Rändelmutter bildet dann ein Maß für
die Größe der Abweichungsstörung des Fahrzeuges. Die durch die Drehung vorgenommene
Berichtigung der Abweichungsstörung entspricht der schrägen Stellung des Steuerruders,
welche in diesem Falle die vorbestimmte, z. B. geradlinige Fahrt des Fahrzeuges
gewährleistet. )Die Steuerung gemäß der Erfindung kann statt zur Fahrtrichtungsstabilisierung
auch zur Stabilisierung der Längs- oder Querneigungsbewegungen oder auch zur gleichzeitigen
Stabilisierung .der Bewegungen um zwei oder drei Hauptachsen Anwendung finden.