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Aufrichtvorrichtung für Kreiselhorizonte
Die Erfindung bezieht sich
auf Aufrichtvorrichtungen für Kreiselhorizonte, die einen dauernd umlaufenden Bestandteil,
bestehend aus einer frei beweglichen Masse oder aus mehreren Massen, enthält.
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Eine Aufrichtvorrichtung dieser Art besteht in liekannter Weise aus
einem Gefäß, das auf dem Rotortragrahmen des Kreisels angebracht ist und langsam
in der Richtung des Kreiselumlaufes angetrieben wird, und zwar mit einer sehr viel
kleineren Geschwindigkeit als der Kreisel, und welches außerdem frei bewegliche
Kugeln enthält.
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Bei dieser Vorrichtung entsteht, wenn der Rotortragrahmen um eine
waagerechte Achse gegenüber seiner Sollage geneigt wird, ein aufrichtendes Drehmoment,
welches im wesentlichen um eine senkrecht zu der genannten Achse liegende Achse
wirkt. Eine bekannte Anordnung besteht in der Benutzung eines mit schwach konischer
Bodenfläche versehenen Behälters mit Haltestiften an seinem Umfang, wobei der Behälter
frei bewegliche Kugeln enthält.
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Der Behälter ist auf dem Rotortragrahmen angebracht und wird durch
den Kreiselrotor mit konstanter geringer Geschwindiglieit angetrieben.
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Wenn der Rotortraorahmen geneigt wird und den Behälter dabei mitnimmt,
rollen die frei beweglichen Kugeln im rotierenden Behälter nach unten und werden
durch die am Umfang befindlichen
Haltestifte um nahezu I80 Grad
mitgenommen, worauf die Schwerkraft die Kugeln wieder von den Stiften löst und sie
von neuem im Behälter nach unten rollen können; Däese Bewegung der frei beweglichen
Kugeln übt eine Kraft auf den gemeinsamen Schwerpunkt sämtlicher Kugeln aus, die
auf den Boden des Behälters wirkt. Auf diese Weise entsteht ein Drehmoment, das
auf den Behälter einwirkt und den Rotortragrahmen auf richtet. Eine derartige Einrichtung
ist jedoch mft erheblichen Nachteilen verknüpft, da die konische, die Kugeln tragende
Fläche des Behälters diese Kugeln an einer fre'ien Bewegung auf der Fläche hindert,
und zwar in einem solchen Ausmaß, daß eine stärkere Neigung des Rotortragrahmens
als um den Konuswinkel nötig ist, bevor die Kugeln sich vom Zentrum fortbewegen
können, und daß deshalb eine Präzession hervorgerufen wird. Wenn man andererseits
einen Behälter mit einem ebenen Boden verwenden würde, bewirken die Zentrifugalkräfte,
welche auf die Kugeln einwirken, eine Wanderung der Kugeln nach dem Umfang zu, so
daß diese Kugeln dann innerhalb eines bestimmten Neigungswinkels des Behälters dort
festgehalten werden, so daß die erstrebte Wirkung der Kugeln, d. h. ihre Aufrichtwirkung,
innerhalb dieses Winkelbereichs nicht stattfinden kann.
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Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung
beschrieben.
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Fig. I veranschaulicht einen Kreiselhorizont für Luftfahrzeuge; -Fig.
2 zeigt, teilweise im Schnitt, einen Teil des Vertikalkreisels aus Fig. I und den
drehbaren, die Kugeln tragenden Behälter; Fig. 3 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform
des Behälters; Fig. 4 stellt einen Schnitt einer anderen Ausführungsform eines Behälters
dar; Fig. 5 ist die Ansicht eines Behälters von oben, wobei die frei beweglichen
Kugeln sich in ihrer Symmetrielage befinden; Fig. 6 ist eine Ansicht eines geneigten
Behälters von oben, welche die dann auftretende Verteilung der Kugeln erkennen läßt;
Fig. 7 läßt die Kräfte -erkennen, welche auf den Gesamtschwerpunkt sämtlicher Kugeln
bei einer Kurve mit Seitenneigung wirken.
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In Fig. I ist ein für Flugzeuge gebräuchlicher Kreiselhorizont dargestellt,
bei dem ein Kreisel mit praktisch lotrechter Achse benutzt wird, um die VertiÆkalbezugsrichtung
zu bilden. Die Hauptteile dieser Anordnung sind das etwa kugelförmige Gehäuse 1,
das am Rotortragrahmen 12 (Fig. 2) befestigt ist und diesen Tragrahmen im wesentlichen
umhüllt und das mit Ablesemarken versehen ist, die vor einer Skala durch ein Fenster
2 im Instrumentengehäuse hindurch beobachtet werden können.
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Der Rotortragrahmen 12 ist in Gelenken in einer normalerweise transversalen
Achsen aufgehängt, und zivar in einem U-förmigen Kardanring 4, der seinerseits wieder
gelenkig in der Längsachse mittels einer Welle 6 im Gehäuse 7 gelagert ist, In Fig.
2 ist der Kreiselhorizont mit dem Rotor 11 und dem Rotortragrahmen 12 dargestellt.
Ein drehbarer Behälter I4, der gegenüber der Umlaufachse des Rotors 11 -geneigt
werden kann, enthält eine freie Masse, und zwar in dieser Ausführungsform eine Mehrzahl
von frei beweglichen Kugeln 14, 15 usw. Die Kreiselumlaufachse und die Rotationsachse
des Behälters sind nicht koaxial, sonaern schließen vielmehr einen kleinen Winkel
ein, wobei die Kreiselumlaufachse um einzige Grad in an sich bekannter Weise gegen
die Vertikale geneigt ist, um Kurvenfehler, die durch die Zentrifugalkräfte auf
den Aufrichtmechanismus ausgeübt werden können, auf ein Minimum zu reduzieren.
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-Die Rotationsachse des Behälters wird da gegen in genau senkrechter
Lage festgehalten, so daß eine -senkrechte Bezugslinie gebildet wird. Die Umlaufachse
des Kreisels wird vorzugsweise um einige Grad nach vorwärts, geneigt, um Kurvenfehler
zu korrigieren, wie es in der britischen Patentschrift 619 939 beschrieben ist.
Die Anordnung des Getriebekastens I7 dient dazu, diese Einstellung zu bewirken und
den Behälter vom Kreiselrotor anzutreiben, und zwar mit konstanter, aber erheblich
reduzierter Geschwindigkeit.
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Der Behälter I3 ist in Fig. 3 im Querschnitt dargestellt. Um die
Methode der Bestimmung einer Fläche im Behälter 13 zu veranschaulichen, die senkrecht
zu der Resultierenden der Beschleunigungskräfte der Gesamtheit der Kugeln steht,
die mit dem Behälter umlaufen, seien die auf eine einzelne freie Kugel 14 wirkenden
Kräfte betrachtet.
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Die Zentrifugalbeschleunigung Fa ist gleich der Masse, multipliziert
mit der Entfernung des Gewichtes vom Drehmittelpunkt und ferner multipliziert mit
dem Quadrat der Winkelgeschwindigkeit, das heißt, Fa = rnr. a?2, (I) wobei m die
Masse der Kugel bedeutet, r ihre Entfernung von der Rotationsachse und m ihre Winkelgeschwindigkeit.
Die Gravitationskraft Fg, welche nach unten auf die Kugel wirkt, beträgt Fg = mg,
(2) worin g die Schwerebeschleunigung ist. Die resultierende Kraft FR, die unter
einem Winkel von 0 angreift, beträgt Fa r #² tg # = Fg g oder da r ;> x, wobei
x die Entfernung von der Y-Achse des Berührungspunktes der Kugel 14 mit der Bodeufläche
ist, x #² tg # = . (4) g Jedoch ist ja dy tg # = , (5) d x
und wenn
man in dieser Gleichung einführt dy ~ w2x x (6) dx g und integriert, so erhält man
02x2 y = . (7) 2 g Die Gleichung (7) stellt bekanntlich eine Parabel dar. Für eine
gegebene Umlaufgeschwindigkeit kann man also die genaue Form der Bodenfläche des
Behälters I3 bestimmten, so daß die Resultierende der auf die Kugeln wirkenden Kräfte
an jeder Stelle senkrecht zu dieser Bodenfläche steht.
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Die Fig. 5 zeigt eine Ansicht des Behälters I3 von oben, wenn die
Rotationsachse des Behälters genau senkrecht steht. Die Kugeln 14, I5, I6 usw. sind
zufällig, also willkürlich um die Rotationsachse verteilt, da die Zentrifugalbeschleunigung,
welche sie durch die Stifte 21, 22, 23 erhalten, durch die Oberflächengestalt der
Bodenfläche kompensiert wird. Ferner wurde gefunden, daß zwar eine parabolische
Bodenflächengestalt aus diesem Grunde eine ideale Bodenform darstellt, aber daß
man praktisch dasselbe Ergebnis auch mit einer kugelförmigen Bodenfläche erreichen
kann oder mit jeder anderen konkaven Form, die ungefähr einer Parabel nahe kommt.
So zeigt die Fig. 4 eine praktisch verwendbare Kugelfläche 17', welche eine sehr
gute Annäherung an die ideale Parabelfläche I8 darstellt.
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Durch Versuche wurde gefunden, daß der geeignete Abstand der Kammern
oder S-tifte 21,22,23 usw. zur Erreichung einer optimalen Aufrichtung in einem System
mit einer gegebenen Zahl freier Kugeln von gegebener Dichte bestimmt werden kann,
wobei die Rotationsgeschwindigkeit des Behälters I3 konstant ist. Ebenso läßt sich
die optimale Zahl freier Kugeln bestimmen und die optimale Dichte der Kugeln selbst.
Bei einer Ausführungsform, in welcher die Größe der freien Kugeln durch die konstruktiven
Erfordernisse des Kreiselrotors und des Rotortragrahmens vorgeschrieben ist, läßt
sich die Dichte des Kugelmaterials zur Erreichung einer optimalen Aufrichtgeschwindigkeit
bestimmen. Weiterhin bestimmt auch der Abstand der am Umfang befindlichen Kammern
oder, wie in dieser Ausführungsform der sog. Rückführstifte die Aufrichteigenschaften,
da die Lage des Gesamtschwerpunktes der wandernden Kugeln davon abhängig ist, in
welchem Grade sie in den Umfangskammern oder zwischen den Rückführstiften festgehalten
werden. Der Abstand der Kammern beeinflußt die Pendelfähigkeit des Systems ebenfalls
und beeinflußt damit auch die Aufrichteigenschaften.
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Fig. 5 und 6 zeigen die Art und Weise, in welcher die freien Kugeln
nach dem tiefsten Punkt des geneigten Behälters rollen und die Art und Weise, wie
sie am Umfang durch die Haltestifte 2I, 22, 23 usw. um nahezu 1800 oder so lange
mitgenommen werden, bis durch die Schwerkraft die Kugeln wieder von den Haltestiften
gelöst werden und von neuem zum tiefsten Punkt des Behälters rollen. Die Fig. 5
zeigt die Lage der Kugeln im waagerechten Behälter und Fig. 6 ilhre Lage im geneigten
Behälter, und zwar bei einer solchen Behälterneigung, daß die linke Seite unterhalb
der die Waagerechte verkörpernden Zeichenebene liegt. Von den in die Fig. 6 strichpunktiert
eingezeichneten Mittellinien ist demnach die von links nach rechts verlaufende gegenüber
der Zeichenebene geneigt, während die andere in der Zeichenebene liegt. Wenn die
Scheibe sich entgegen dem Uhrzeigersinn dreht, wie es durch den Pfeil angedeutet
ist, bewegt sich die Mehrzahl der Kugeln gerade vom tiefsten Punkt im Behälter zum
höchsten Behälterpunkt, während zwei der Kugeln, nämlich die Kugeln 15 und I6, gerade
aus den Kammern zum tiefsten Behälterpunkt rollen. Auf diese Weise wird der Gesamtschwerpunkt
der Kugeln vom tiefsten Behälterpunkt, nämlich dem Punkt P in Fig. 6, nach einem
Punkt J3' verlegt. Auf diese Weise entsteht ein Drehmoment, dessen größere Komponente
um die gegenüber der Zeichenebene geneigte Mittellinie (wahres Aufrichtmoment),
und dessen kleinere Komponente um die in der Zeichenebene liegende Mittellinie (Pendelf
ähiglçeitsdrehmoment) wirkt.
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Bei der hier beschriebenen Ausfüihrungsform der Erfindung hat es
sich als vorteilhaft herausgestellt, das gesamte Gerät so zu bauen, daß es durch
den Kreiselrotor, den Rotorrahmen, den Behälter und dessen Antriebsvorrichtung ausbalanciert
wird.
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Bei dieser Bauart bestand der einzige das Gleichgewicht störende Effekt
in der Wirkung der freien Kugeln bzw. darin, daß die freien Kugeln im Behälter das
Kreiselsystem in geringem Maße pendelfähig machen. Es sei nun der Einfluß dieser
Pendelfähigkeit während einer Kurve des den Kreisel tragenden Flugzeugs betrachtet.
Die Wirkung der freien Kugeln kann so betrachtet werden, als wenn die Summe ihrer
Niassen im resultierenden Schwerpunkt F' (Fig. 6 und .7,) angebracht wäre.
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Obwohl die Fig. 6 hauptsächlich zur Anzeige des Verhaltens der Kugeln
bei einer Abwärtsneigung der linken Seite des Behälters gezeichnet ist, läßt sie
auch das Verhalten der Kugeln bei einer seitlichen Beschleunigung nach linlis erkennen.
Dieser Betriebsfall ist auch in Fig. 7 dargestellt, die eine Vorderansicht der Fig.
6 darstellt. Bei einer solchen seitlichen Beschleunigung nach links liegen zwei
Beschleunigungskräfte vor, die auf den Punkt P' wirlien, nämlich die Schwerkraft
fMg, die nach abwärts wirkt, und die Zentrifugalkraft die seitwärts wirkt, wobei
die Gesamtkraft unter einem Winkel 19 zur Vertikalen angreift. Der Winkel (9 ist
natürlich der Winkel, welcher ein freies Pendel gegenüber dem wahren Lot während
einer Kurve des Flugzeugs einnehmen würde, und ist außerdem nahezu gleich der Flugzeugquerneigung.
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Aus Fig. 7 sieht man, daß die Zentrifugalkraft C stets gleich ilig
tg tg zu ist. Wenn man das Kräftepaar betrachtet, welches unter diesen Umständen
auf den Vertikalkreisel ausgeübt wird, erzeugt die
Gravitationskraft
nig ein Drehmolment Tg, das entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn wirkt und gleich Tg
= mgdc ist, während die Zentrifugalkraft C die im Abstand dp unterhalb der Unterstützungsachse
des Kreisels angreift, ein Drehmoment Tp der GröBe Tp = dp mg tg # erzeugt. Da diese
Drehmomente einander entgegenwirken, ist es vorteilhaft, wenn sie sich gegenseitig
aufheben, damit kein Kurvenfehler infolge der Pendelfähigkeit zustande kommt.
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Wenn man die Größen typ und Tg einander gleichsetzt, erhäIt man mgdc
= dp mg tg # oder tg dc g dp Für einen bestimmten Seitenneigungswinkel #, der einer
bestimmten Zentrifugalkraft entspricht, welche von dem Produkt der W;endegeschwindigkeit
und der Fahrgeschwindigkeit herrührt, kann das Kreiselsystem so bemessen werden,
daß die Drehmomente, die auf den Kreisel durch die Zentrifugalkraft und durch die
Schwerkraft ausgeübt werden, sich aufheben. Hierfür sind die GröBen dc und dp sO
abzustimmen, daß Tp und Tg für eine Kurve bei der normalen Fluggeschwindigkeit sich
genau aufheben. Bei einer derartigen Bemessung werden die Kurvenfehler, die auf
die genannten Gründe zurückzuführen sind, dann auch für andere -Kurvenradien und
Luftgeschwindigkeiten proportional zur Abweichung des Seitenneigungswinkels von
dem für die gewählte Zentrifugalkraft geeigneten Winkel kleiner.
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Durch die Erfindung wird somit gleichzeitig der im Kurvenug auftretende
Fehler dadurch vermieden, daß der Kreiselhorizont nur im Geradeausflug einen Pendelfaktor
besitzt, und zwar ohne daß man den Kreisel deswegen seitlich neigen müßte.