DE883807C - Kreiselhorizont - Google Patents

Description

Die Erfindung· stellt eine Weiterbildung der in dem Patent 878 729 beschriebenen Erfindung· dar, welche einen Kreiselhorizont für Fahrzeuge betrifft, und zwar einein Kreisel solcher Art, bei welcher auf die Schwerkraft ansprechende Einrichtungen ein aufrichtendes Drehmoment ausüben 'und dadurch eine Präzession des Kreiselrotors zurück in seine Normalstellung hervorrufen, wenn er um einen Winkel aus diese Normallage ausgewandert ist. Das Kennzeichen der in der genannten Patentschrift erläuterten Erfindung besteht darin, daß die Normalrichtung eine solche ist, in welcher die Umlaufachse des Rotors mit ihrem oberen Ende in die Bewegungsrichtung des Fahrzeugs deutet und in einer Vertikalebene parallel zur Längsachse des Fahrzeugs liegt. Diese Neigung der Umläufachse ist derart bemessen, daß das auf den Kreisel durch die auf die Schwerkraft ansprechenden Mittel während eines Kurvenflugs ausgeübte Drehmoment, insbesondere während einer mit vorgeschriebenem Radius durchflogenen Kurve, den richtigen Wert hat, um den Rotor azimutal zu einer Präzession zu veranlassen, die gleich der Wendegeschwindigkeit des Flugzeugs ist. Dadurch behält seine Achse im wesentlichen relativ zur sich ändernden Bewegungsrichtung des Fahrzeugs dieselbe Richtung bei, so

daß die Anzeige und/oder Steuerwirkung durch die Kurve im wesentlichen unbeeinflußt bleibein.

Man. sieht, daß bei dieser Art von Kreisel'-horizonten die im Kreis elhoirizonten der bisher bekannten Art auftretenden! Fehler, timid zwiar ■ diiei infolge der Wirkung- der Beschleunigungskräfte auf die schwerkraftahhiängigen Mittel bei Kurven des Flugzeugs auftretenden Fehler, im wesentlichen ausgeschaltet werden.

Die Erfindung besteht in der Anwendung- .dieser Lehre auf einen Kreiselhorizont von. der Art, in,' welchem -die auf die Schwerkraft ansprechenden, Aufrichtmittel so beschaffen sind, daß sie ein Drehmoment liefern, welches mit einer Zunahme der. i5₍ Winkel Verlagerung des Kreisels gegenüber den· schwerkraftabhängigen Mitteln progressiv zunimmt, so daß es als praktisch proportional zu dem erwähnten Winkel gelten kann.

Ein, weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Auf richtgaschwindjigkeit .entsprechend der Geschwindigkeit des Fahrzeugs geändert wird, so daß die Anzeige und/oder Steuereffekte bei verschiedenen Geschwindigkeiten des .Fahrzeugs für dieselbe normalerweise auftretende Neigung des Kreisels praktisch dieselben bleiben.

Die Vertikalkreisel, die in dem Hauptpatent beschrieben sind, sind mit auf >die Schwerkraft ansprechenden Aufrichtmitteln versehen;, welche eine Ein-Ausi-Wirkung besitzen, d. h. eine Wirkung, welche ein Drehmoment von bestimmter Größe für eine kleine Winkelab weichung- des Kreisels von-den: schwerkraf^abhängigen Mitteln . liefern, . das dann aber praktisch konstant bleibt, auch wenn der genannte Winkel sich vergrößert. Bei dieser Art von' Kreisiel'horizonten sind aber die Anzeige und/oder die Steuerwirkungen vollständig unabhängig davon,-ob das Flugzeug geradeaus oder eine Kurve mit einem bestimmten Radius durchfliegt. Für andere Kurveniradien sind diese Wirkungen 'durchaus ,nicht mehr vollständig unabhängig.

Demgegenüber ist in einem Kreiselhorizont gemäß der Erfindung der Neigungswinkel 'der Kreisielumlaufachse gegenüber der Lotrechten .unabhängig von dem Radius der durchflogenen Kurve, aber abhängig von. .der. Flugzeuggeschwindigkeit und dem Gradienten des Drehmoments, d. h. dem Verhältnis des Drehmoments zur Winkelabweichung·. Dies läßt sich mathematisch folgendermaßen zeigen: Bei beiden Arten von Aufrichtvorrichtungen lautet die Gleichung für die Erreichung des gewünschten Neigungswinkels X₀ folgendermaßen:

X₀ =

M Hco '

wobei M das Auf rieh tmoment, H den Drehimpuls des Kreisels und ω den Kurvenradius des Flugzeugs ^; angibt. Das Aufrichtmoment ist bei der obenerwähnten Ein-Aus-Vorrichtung konstant, und das Kreiselmomenit ist ebenfalls konstant. Bei eimern Kreiselgerät, bei welchem das Aufrichtmoment proportiionial dem Winkel Y zwischen dem Scheinlot und der Kreiselu'mlaufachse (oder einer in bezug auf diese Achse festen Richtung) ist und bei welchem ferner M' das Drehmoment je Einheit des Verlagierungswinkels ist, wird das Drehmoment M eine Variable, die durch folgende Gleichung ge-' geben, ist:

JSfwif'Y. (2)

- Der Winkel Y ist für Winkel bis zu ungefähr 30.⁰,! in diesem Bereich kann der tangens von, Y gleich dem Winkel Y gesetzt werden, mit guter Annäherung durch die folgende Gleichung

Y =

vco

(3)

gegeben, in welcher ν die Fahrzeuggeschwindigkeit und g 'die Gravitationskonstante bedeutet. Die seitliche Beschleunigung in_ einer Kurve ist gleich dem Produkt der Fahrgeschwindigkeit und der Wendegeschwindigkeit.

Wenn man Y aus der Gleichung; (3) in die Gleichungen (2) einsetzt, erhält man

M =

ν ω M'

(4)

Wenn man sodann diesen Ausdruck für M in die Gleichung.(i) einsetzt, erhält man

Hg '

woraus sich ergibt, daß der richtige Neigungswinkel X₀ in diesem EaIl unabhängig von der Winkelgeschwindigkeit m ist, daß er aber mit der Fahrgeschwindigkeit ν schwankt und mit dem Drehmoment, welches je Radiant (= 360 : τ,π) des Neigungswinkels oder je sonstige Winkeleinheit durch die Aufrichtvorrichtung ausgeübt wird.

Die vorstehende Berechnung zeigt, daß die Erfindungnicht nur für Flugzeuge, bei denen, die NeIg¹UDg des Scheinlots 30° nicht überschreitet, von Bedeutung ist, sondern daß man sie auch knsibesondere auf Schiffe und andere Fahrzeuge anwenden kann, bei denen die Fahrgeschwindigkeit geringer ist als bei Flugzeugen, bei denen aber der Kurvenradius ebenso groß oder größer sein kann wie in der Luftfahrt.

Man sieht also, daß bei einem fest eingestellten Neigungswinke] Z₀ die Anzeige- und/oder Steuereffekte eines Vertikalkreisels gemäß der Erfindung für jede Winkelgeschwindigkeit in Kurven unibeeinflußt bleiben, vorausgesetzt, daß das Fahrzeug die Geschwindigkeit einhält, für welche die no>rmale Neigung X₀ eingestellt wurde.

Man sieht außerdem, daß, wenn man Anizeige- und/oder Steuerwirkungen zu erreichen wünscht, die bei jeder Geschwindigkeit und ibei jeder Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs unbeeinflußt bleiben, man lediglich Einrichtungen zur Änderung des Drehmomentgradienten M der Aufrichtvorrichtung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit -verändern muß.

Aus' verschiedenen Gründen wird vielfach ein Kreiselgerät oberhalb seines Schwerpunktes aufgehängt. Dann ist es erwünscht, dem Rotor eine

schwache seitliche Neigung, zusätzlich zu seiner Neigung in der Längsachse, zu (geben, so daß, wenn die Beschleunigungskräfte auf den Schwerpunkt des Kreisels und auf die schwerkraftabhängigen Mittel im Kurvenflug einwirken, der Kreisel azimutal eine Präzession erfährt, und zwar mit praktisch derselben Geschwindigkeit, wie der ■Wendegeschwindigkeit des Fahrzeugs.

Eine Ausführungsform der Erfindung sei im

ίο folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben:

Fig. ι ist >eine Vorderansicht, und zwar teilweise im Schnitt einer Ausführungsform der Erfindung, welche einen Wirbelstrommotor zur Aufrichtung benutzt, wobei der Kreisel sowohl nach vorwärts als nach seitwärts geneigt ist;

Fig. 2 ist eine Teilansicht von oben des Kardararinges für einen pendelnden Aufrichter;

Fig. 3 ist eine Vorderansicht dieser Ausführungsform, wobei das äußere Gehäuse teilweise ent-'· fernt ist.

In Fig. ι bis 3 ist der Kresselmotor in einem Gehäuse 1' angebracht, welches in der Seitenrichtung in einem U-förmigen Kardanbügel 18 aufgehängt ist, der seinerseits innerhalb des Gehäuses 19 mittels einer langen Welle 20 innerhalb einer Hülse 21, die am Gehäuse befestigt ist, gelagert ist. Die Aufrichtvorrichtung besteht aus einem pendelfähigen Steuergerät, welches einen permanentem Magneten 25 trägt. Das pendelfähige Steuergerät ist universell beweglich aufgehängt, da es nämlich in der Seitenrichtung in den Gelenken 22, 22' ruht, und zwar innerhalb eines besonderen U-förmigen Kardanbügels 23, welcher an der Rückseite der Hülse 21 mittels einer äußeren Hülse 24 gelagert ist. Im Feld des permanenten Magneten liegt ein Becher 11', der an einem Fortsatz 30 der Rotorwelle befestigt ist, so daß er mit dem Rotor umläuft.

Die aufrichtenden Kräfte, welche praktisch rechtwinklig zu der Winkelverlagerung des Rotors stehen, kommen durch das Zusammenwirken zwischen den Wirbelströmen im umlaufenden,· Becher 11' und dem magnetischen Feld des permanenten Magneten 25 zustande. Wenn der Rotor und das pendelfähige Steuergerät sich in ihrer normalen gegenseitigen. Winkellage befinden, werden dem Kreisel keine Aufrichtmomente zugeführt. Eine weitere Erklärung dieser Art von Aufrichtvorrichtung ist in der britischen Patentschrift 492 670 enthalten.

Die gewünschte Neigung des Kreisels wird durch eine unsymmetrische Beschwerung des pendelfähigen Steuergeräts erreicht, so daß der Magnet 2 5 aus der Vertikalen um einen dem gewünschtem Neigungswinkel entsprechenden Betrag ausweicht. Wenn das pendelfähige Steuergerät und der Magnet sich in dieser Lage befinden, werden auf den umlaufendem Rotor Präzessionsmomente ausgeübt, und es wird somit seine Achse praktisch mit dem pendeilfähigem Steuergerät in eine Linie gebracht. Die unsymmetrische Beschwerung des pendelfähigen Steuergeräts kann durch das einstellbare Gewicht 26 bewirkt werden.

Bei der dargestellten Ausfübruingsform ist" der Kreisel wenig oberhalb seines Schwerpunkts aufgehängt, so daß während einer Kurve auch die auf den Schwerpunkt des Kreisels wirkenden Beschleunigungskräfte kompensiert werden müssen. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß man dem Rotor EiofwoM eine seitliche Neigung als eine Neigumgskomponente in der Fahrzeuglängsachse, d.h. eine normale Inklination, gibt. Die seitliche Neiguragskomponemte wird durch ein einstellbares Gewicht 27 hervorgebracht, welches sich auf dem Kardanring 23 des pendelfähigen Steuergeräts befindet. Praktisch ist der Abstand des Kreiselschwerpunkts vom Schnittpunkt der Kardanachsen ziemlich gering, und die seitliche Neigung kann daher ebenfalls ziemlich gering eingestellt werden (von der Größenordnung von zwei Grad). Demgegenüber sind die Drehmomente, die durch die Aufrichtvorrichtung bei Ablenkung unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte auftreten, erheblich größer, so daß die Vorwärtsneigumg zur Kompensation: der Zentrifugalkraft beim Kurvenfiug erheblich größer ist als die seitliche Neigung.

Der Horizontanzeiger ist als ein Vielzwedke-Anzeiger dargestellt, wie er in der britischen Patentschrift 591 400 erläutert ist. Er besteht aus einer abgeflachten Kugelschale 31, welche das go Rotorgehäuse 1' umgibt, wobei sich auf der Kugel eine Einteilung befindet, mit parallelem, horizontalen Breitenlinien 32 für die Anzeige der Längsneigung und eine zentrale Meriidianliinie '3,3 zur Anzeige einer Seitenneigung, deren Größe an der Skala-33' in der Fassung 40, die das Ablesefenster 41 umgibt, ablesbar ist. Vorzugsweise soll außerdem die untere Hälfte der Kugel anders schattiert werden als die obere Hälfte, und die Horizontlinie E soll gegen die horizontalen Marken 34 und die Hauptmarke 3 4' auf der Fassung 40 bzw. auf dem Fenster^i abgelesen werden. Die Horizomtlinie.f ist ferner auf der Kugel angebracht, und zwar derart, daß sie die Meridianliniie im einem Punkt schneidet, an welchem die Meridiamliniie eiine zur Rotorachse normale Ebene durch den Schnittpunkt der Kardanachsen schneidet.

Die Marken 34 und 34' sind gegenüber der Horizomtalebene durch die Kardanachsen nach oben verschoben, so daß sie mit der Horizontlinie E zusammenfallen, wenn das Fahrzeug horizontal liegt und der Kreisel eine bestimmte Neigung in beiden Ebenen besitzt.

Gemäß der Erfindung behält der Kreisel daher immer die- gleiche Neigung bei, unabhängig vom den Kurven des Fahrzeugs, solange eine bestimmte Fahrgeschwindigkeit beibehalten wird. Selbst wenn von dieser Geschwindigkeit bis zum gewissen Grad abgewichen wird, wird der Fahrzeugführer den Kreiselfehler nicht bemerken, da der Kreisel bei Kurven nahezu die richtige Präzession erfährt und also die bestimmte Neigung zum Flugzeug im' wesentlichen beibehält. Eine genaue Kompensation kann durch Einstellung der Aufrichtung in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit bewirkt werden, aber im gewöhnlichen Betrieb läßt sich die

Vorrichtung- für die normale Reisegeschwindigkeit des Flugzeugs einstellen, so daß sie unter allen! normalerweise beim Flug vorkommenden Bedingungen zufriedenstellend arbeiten kann.
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Claims (9)

1. Patentansprüche:

   i. 'Kreiselhioriaont nach Pateint 878 729, in welchem auf die Schwerkraft ansprechende

   ίο Einrichtungen .ein aufrichtendes Drehmoment !ausüben und dadurch eine Präzession des Kreäselrotors zurü,ck in seine Normalstellung hervorrufen, wenn er um einen Winkel gegen diese Normallage verlagert ist, und. in welchem ferner die Normalrichtung eine .solche ist, in welche .die Umlaufac'hse des Rotors mit ihrem oberen. Ende in der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs deutet, und. außerdem- das auf dem Kreisel durch die auf die Schwerkraft ansprechenden Mittel während eines Kurvenflugs ausgeübte Drehmoment den Rotor azimutal zu eimer Präzession mit solcher' Geschwindigkeit veranlaßt, daß· seine Achse im wesentlichen relativ zur sich ändernden Bewegungsrichtung des Fahrzeugs dieselbe Richtung beibehält, so daß die Anzeige- und Steuerwirkung in der Kurve im¹ wesentlichen unbeeinflußt bleibt, in Anwendung auf .einen solchen Kreiselhorizont in ,welchem das Drehmoment, das von den s,chwerkraftabhängigen Aufrichtmitteln ausgeübt wird, progressiv mit der Winkelvedagerung der schwerkraftabhängigen Mittel gegenüber dem Kreisel zunimmt, und zwar derart, 'daß die Anzeige- und/oder Steuereffekte des Instruments für jede mit vorgeschriebener Geschwindigkeit dur,chfLqgene Kurve, d. h. für jeden Krümmungsradius einer mit der vorgeschriebenen Geschwindigkeit durchflogenen Kurve, unbeeinflußt bleiben.
2. 2. Kreiselhorizont nach Anspruch 1, in welchem der Kreisel im wesentlichen im indifferenten Gleichgewicht montiert ist und in welchem .die Rotorachse in einer vertikalen Ebene parallel zur Längsachse des Fahrzeugs geneigt ist.
3. 3. Kreiselhorizont nach¹ Anspruch 1 oder 2, in welchem die schwerkraftabhängigen Mittel 'ein Pendelsteuergerät enthalten, welches exzentrisch beschwert ist, so daß es unter einem Winkel zur vertikalen Richtung 'hängt, der gleich dem gewünschten Neigungswinkel der Rotoradhse ist.
4. 4. Kreiselhorizont nach Anspruch 3, in welchem 'eine Einrichtung zur Änderung der Exzentrizität des Gewichts vorhanden ist, so daß das Steuergerät auf verschiedene Neigungswinkel ■eingestellt werden kann.
5. 5. Kreiselhorizont nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem: eine Einrichtung zur Veränderung der durch 'die Schwerkraft abhängige Einrichtung ausgeübten Steuerwirkung vorhanden ist.
6. 6. Kreiselhorizont nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem eine Einrichtung zur Einstellung der Präzession des Kreisels vorhanden ist, die in Kurven des Flugzeugs durch 'die Aufrichtvorrichtung bewirkt wird, wenn die schwerkraftabhängigen Mittel unter " der Wirkung der Zentrifugalkräfte ansprechen, wodurch die vorgeschriebene Neigung der Rotorachse bei verschiedenen Flugzeuggesehwiftdigkeitjen erhalten bleibt.
7. 7. Kreiselhorizont nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem die Aufrichtvorrichtung mit elektrischen Wirbelströmen arbeitet und zwei Teile enthält, von denen der leine aus leitendem Material besteht und der andere ein mit diesem Teil zusammenarbeitender Magnet ist, wobei der eine dieser Teile auf dem Kreisel angebracht ist, während der andere pendelfähig aufgehängt ist und wobei diese Teile so angeordnet sind, daß sie .sich stets in gleichem Abstand befinden, auch wenn eine Relativbewegung zwischen ihnen stattfindet, so daß das PräzessioBsdrehmoment auf den Kreisel im wesentlichen proportional der gegenseitigen Verlagerung der beiden Teile ist.
8. 8. Kreiselhorizont nach Anspruch J, in welchem der pendelfähige .Teil universell beweglich und unabhängig vom Kreisel aufgehängt ist und leinen permanenten Magneten trägt, während das aus leitfähigieim Material bestehende Element aim Rotor befestigt ist und mit ihm umläuft und das Pendel so beschwert ist, daß es bezüglich der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs nach rückwärts geneigt ist.
9. 9. Kreiselhorizont nach einem der Ansprüche i, 2 und 4 bis 9, in welchem der Kreisel wenig oberhalb seines Schwerpunktes aufgehängt ist und die Rotorachse sowohl in der Fahrzeuglängsachse als in der Transversalebene des Fahrzeugs geneigt ist, so daß die auf den Kreisel und auf die schwerkraftabhängigen Mittel während einer Kurve des Flugzeugs ausgeübten Beschleunigungskräfte den Kreisel zu einer seitlichen Präzession veranlassen, und zwar mit derselben Winkelgeschwindigkeit wie die Wendegeschwindigkeit des Flugzeugs bei vorgeschriebener Fluggeschwindigkeit.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   1 5266 7.53