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Anordnung auf schlingernden Körpern zur Kompensation von Störbeschleunigungen
bei Meßgebern, die auf die Richtung der Erdbeschleunigung ansprechen Zur Dämpfung
der Schlingerbewegungen von Schiffen und anderen Fahrzeugen ist es bekannt, als
Bezugsebene stabilisierte Plattformen zu verwenden, die von Kreiseln direkt oder
indirekt stabilisiert, d. h. waagrecht gehalten werden. Zur Überwachung der richtigen
Lage dienen Meßgeber, die auf die Richtung der Erdbeschleunigung ansprechen. Insbesondere
werden hierzu Pendel verwendet, die die Lotüberwachung bewirken. Sie sind an der
Plattform gelagert und stellen Neigungen der Plattform fest.
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Sie werden jedoch auch durch Beschleunigungen ausgelenkt, was ihre
Funktion stört.
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Die Fahrt-und Kurvenbeschleunigungen kann man unter Zuhilfenahme anderer
Meßwerte verhältnismässig einfach ausgleichen.
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Bei den Stampf-und Rollbeschleunigungen, die unter dem Ausdruck Schlingerbeschleunigungen
zusammengefasst werden können, ist dieses jedoch bisher noch nicht gelungen.
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Ein an einem schlingernden Körper aufgehängtes Pendel führt Schwingungen
aus, die unter Umständen erhebliche Amplituden erreichen können. Die Schwingungen
liegen, einzeln betrachtet,
nicht einmal symmetrisch zur wahren
Lotrichtung. Nur über längere Zeit gesehen kann man davon sprechen, daß das Pendel
um die lotrechte Lage schwingt. Um Störbeschleunigungen, die das Pendel auslenken,
möglichst unwirksam zu machen, wählt man die Präzessions-oder Lenkgeschwindigkeit,
d. h. den Einfluß der Pendel auf die Kreiselstabilisierung, möglichst klein, so
daß die Störbeschleunigungen nur ein langsames Neigen der Plattform zur Folge haben.
Die Schwingungsamplituden der Plattform erreichen daher nur einen kleinen Bruchteil
der Pendelamplituden, sind diesen jedoch proportional.
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Der Neuerung liegt die Aufgabe zu Grunde, die freien und meist ungedämpften
Pendelschwingungen zu verkleinern und möglichst zu beseitigen, so daß der stabilisierte
Bezugskörper unabhängig von Störbeschleungigungen des Pendels immer die gewünschte
Lage beibehält.
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Die Aufgabe wird gemäß der Neuerung dadurch gelöst, dass dem Pendel
in einem Punkt angreifend, der in Normallage des Pendels in oder in der Nähe der
Bezugskörperdrehachse liegt, das Trägheitsmoment einer ausgewobenen Masse mit dergleichen
Kraft, die das Pendel auf die Masse ausübt, entgegenwirkt, und dass hierzu die Masse
am schlingernden Körper drehbar angeordnet und ihr Drehpunkt so gewählt ist, dass
in Bezug auf die Drehachse des Bezugskörpers die Drehachsen für das Pendel und die
Masse auf der gleichen Seite parallel zueinander und zur Bezugskörperdrehachse liegen.
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Als Meßgeber wird meist ein Pendel verwendet. Dieses Pendel kann am
Ort der Bezugskörperdrehachse (in der Normallage des schlingernden
Körpers)
mit einer Führungsrolle versehen sein. Als ausgewogene Masse kann eine Schwungscheibe
mit einem radialen Schlitz verwendet werden, in dem die Führungsrolle des Pendels
läuft. statt der Schwungscheibe sind jedoch auch andere ausgewogene Massen, beispielsweise
ein Massenpaar in Form einer Hantel, verwendbar.
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Die Wirkungsweise der Anordnung nach der Neuerung sei im folgenden
an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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In Figur 1 ist ein schlingerndes Schiff 1 angedeutet, in dem mitschiffs
im Punkte Z eine von Kreiseln stabilisierte Plattform 2 oder ein ähnlicher Bezugskörper
gelagert ist. Z stellt demnach die Bezugskörperdrehachse dar, die im betrachteten
Fall eine Rollachse ist. In der Mittelebene des Schiffes über der Bezugskörperdrehachse
ist ein Lagerpunkt L für die ausgewogene Masse angedeutet. Mit M ist der Momentanpol
des rollenden Schiffes bezeichnet, der wegen der angenäherten Phasengleichheit der
Roll-und Lateralbeschleunigung meist unterhalb des Schwerpunktes in der Umgebung
der Mittelebene liegt.
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In Figur 2 ist ersichtlich, wie das Überwachungspendel 3 mit der wirksamen
Masse m1 in der Drehachse A an der Plattform gelagert ist. Der Momentanpol hat von
der Rollachse Z der Plattform einen Abstand, der in Figur 2 mit R bezeichnet ist.
Der Hebelarm des Pendels ist mit 11 und der Abstand zwischen der Pendeldrehachse
und der Bezugskörperdrehachse mit 1 bezeichnet. olist der Krängungswinkel.
Beim
Rollen tritt sowohl im Punkt A als auch im Punkt Z die Beschleunigung
auf. Die Rolle 4 die am Ort der Bezugskörperdrehachse Z am Pendel befestigt ist,
übt daher auf eine feste Führungsfläche 5 (in Figur 2 schraffiert) eine Kraft
aus. Kann die Masse der Pendelstange nicht vernachlässigt werden, so tritt an Stelle
des Hebelarmes 11 der Trägheitsradius des Pendels.
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In Figur 2 ist das Element, das den Bezugskörper trägt, mit 7 angedeutet.
An diesem Element ist, wie Figur 3 zeigt, eine ausgewogene Masse im Punkt L gelagert,
der von der Bezugskörperdrehachse den Abstand r besitzt. Die ausgewogene Masse ist
eine Schwungscheibe, die einen radialen Schlitz aufweist. Der radiale Schlitz besitzt
Führungsflächen 5 für die Führungsrolle 4 des Pendels..
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Denkt man sich die Rolle festgehalten, so übt die Scheibe auf sie
eine Kraft aus, die sich zu
errechnet. Darin bedeutet J das Trägheitsmoment der Schwungscheibe, Um die Störbeschleunigung
zu kompensieren, ist es nur erforderlich, die beiden entgegengesetzt gerichteten
Kräfte Pl und P2 gleich gross zu machen. Es ergibt sich das Kräfteverhältnis
Durch geeignete Wahl von ml und J unter Berücksichtigung der Abstände ist es ohne
weiteres möglich, das Kräfteverhältnis gleich eins zu machen und damit das Gleichgewicht
herzustellen.
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Bei der Dimensionierung der neuen Anordnung ist zu berücksichtigen,
daß die Lage des Momentanpoles M nicht genau festliegt. Um den Einfluß von Änderungen
des Abstandes R möglichst klein zu halten, kann man diesen Abstand ausreichend gross
wählen, beispielsweise in der Größenordnung von mehreren Metern. Allerdings ist
hierbei zu berücksichtigen, daß neben der Winkelbeschleunigung ob auf das Pendel
auch noch die Fliehkraft wirkt, die eine kleine Fehlweisung zur Folge hat. Nach
Figur 4 ergibt sich dieser Einfluß mit
und die Fehlweisung des Lotes beträgt, weil sie klein gegen den Krängungswinkel
dwist, etwa
worin g die Erdbeschleunigung bedeutet. Um die Fehlweisung klein zu halten, darf
daher der Abstand R nicht zu groß gewählt werden.
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Der Fehler ist doppelt periodisch, da er sowohl mit d-= 0 und Ol=
0 verschwindet. Für einen Abstand R = 10 m und eine Rollschwingungsdauer
von
10 sec bleibt der Fehler unter + lOt, ist also praktisch vernachlässigbar.
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Die Beschreibung der Wirkungsweise des Gegenstandes der Neuerung
bezog sich auf die Verhältnisse beim Rollen des Schiffes, gilt jedoch offensichtlich
analog auch für Stampfbewegungen. Auch bei diesen Störbeschleunigungen ist mit den
gleichen Mitteln eine Kompensation zu erreichen.
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Bei Abwesenheit von Störbeschleunigungen kehrt das Pendel ohne weiteres
in die lotrechte Lage zurück, wobei die ausgewogene Schwungscheibe ohne Gegenkraft
mitgeht. Allerdings vergrössert die Trägheit der Schwungscheibe wegen der Kopplung
mit dem Pendel die Schwingungszeit des vereinigten Systems.
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Wesentlich ist beim Gegenstand der Neuerung, daß das Gleichgewicht
nicht nur unabhängig vom KrängungswinkeldList, sondern auch jederzeit stabil bleibt.
Letzteres ist unmittelbar aus den Figuren 2 und 3 zu ersehen. Steht beispielsweise
das Pendel links von der Lotlage, so wird der Abstand r wachsen und die Kraft Po
abnehmen so daß das Pendel unter dem Einfluß von Pn in die Lotlage zurückkehrt.
Umgekehrte Verhältnisse liegen bei Pendelauslenkungen rechts von der Lotlage vor.
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Während bei dem betrachteten Fall das Kräftegleichgewicht in einem
eng begrenzten Raum hergestellt wird, können zur Kompensation auch fernübertragene
Kräfte bzw. Momente nach den gleichen
Prinzipien dienen, wenn dies
bei besonderen Anlagen vorteilhaft oder erforderlich ist.
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Der Gegenstand der Neuerung ist insbesondere zur Anwendung auf Schiffen
geeignete um Bezugsebenen für Schlingerdämpfungs-und Krängungsausgleichsanlagen
zu stabilisieren. Ebenso ist aber auch eine Anwendung bei anderen Fahrzeugen möglich.
Dabei besteht weitgehende Freizügigkeit in der konstruktiven Ausbildung des Bezugskörpers
und der ausgewogenen Masse und auch in der Wahl der Länge der Hebelarme. Der Abstand
r kann z. B. auch grösser sein als der Abstand 1, so daß der Punkt L über den Punkt
A zu liegen kommt. Schließlich kann die ausgewogene Masse unter der Drehachse des
Bezugskörpers (Z) gelagert werden, wenn auch die Lagerung des Pendels auf der gleichen
Seite liegt und die Führungsrolle, um in Höhe der Z-Achse zu liegen, an einer nach
oben gerichteten Verlängerung des Pendels angebracht ist.
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Figur 5, die ohne nähere Erläuterung verständlich ist, zeigt schematisch
eine solche Anordnung. 6 Schutzansprüche 5 Figuren