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Kardanisch gelagertes Kreiselgerät, das sich um wenigstens eine Achse
gemäß der Richtung der Schwerkraft einstellt Die Erfindung bezieht sich auf ein
kardanisch gelagertes Kreiselgerät, das sich um wenigstens eine Achse gemäß der
Richtung der Schwerkraft einstellt und bei dem biegsame elektrische Leitungen zum
Kardanring undioder zum Rotorträger führen. Beispiele für solche Geräte sind der
künstliche Horizont und der Kurskreisel. Bei diesen Geräten muß die Figurenachse
des Kreisels eine bestimmte Richtung behalten, was nur der Fall sein kann, wenn
an dem Kreisel kein Moment rechtwinklig zu dieser Achse angreift. Derartige Momente
verursachen eine Präzessionsbewegung dieser Achse, d. h. eine Drehung u-n
eine Achse, die rechtwinklig zur Figurenachse und zu der Achse des Moments verläuft.
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Störmomente der genannten Art werden unter anderem auch von den Stromzuleitungsdrähten
für den Antriebsmotor des Kreisels, für die Stellungsabgriffe und für die zur Eingabe
von Korrektionsmomenten vorgesehenen Stützmotoren verursacht. Derartige Momente
sind besonders störend, wenn sich das Kreiselgerät auf einem mit Schlagseite fahrenden
Schiff befindet, weil dann ein resultierendes Moment in einer bestimmten Richtung
übrigbleibt. Auch wenn dieses resultierende Moment klein ist, wird es bei Anordnung
des Kreisels auf einer schwankenden Auflage wie einem schlingernden Schiff immer
und bei Anordnung auf einer ruhenden Auflage dann, wenn das Moment nur größer ist
als das sehr niedrig gehaltene Reibungsmoment um die betreffende Achse, eine Präzessionsbewegung
hervorrufen, die vielleicht sehr träge ist, aber auf die Dauer zu einer merkbaren
Lageabweichung Anlaß gibt. Diese Lageabweichung des Kreisels wird zwar zusammen
mit den durch andere Störmomente (Lagerreibung, Unwucht) verursachten Lageabweichungen
durch die bekannte Fesselung des Kreisels an einen Lotfähler (Pendel., Libelle)
korrigieM aber es ist, wenn nicht komplizierte und deshalb kostspielige Korrektionsmethoden
verwendet werden, noch immer unvermeidbar, eine solche Lageabweichung zuzulassen,
wie sie für das Ansprechen der Korrektionsvorrichtung notwendig ist. Der Rotorträger
wird sich daher anstatt in der richtigen Stellung häufig mehr in der Nähe
der Lage befinden, in der die Korrektionsvorrichtung anspricht. Es ist also anzustreben,
die störenden Momente nach Möglichkeit zu kompensieren.
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Die Erfindung bezweckt, das von den biegsamen elektrischen Leitungen
verursachte Moment so klein wie möglich zu machen. Gemäß der Erfindung gehen die
biegsamen Leitungen jeweils von einem Befestigungspunkt aus, der um eine zu der
betreffenden Kardanachse parallele oder mit ihr konzentrische Achse beweglich ist
und um diese Achse unabhängig vom Kreisel wenigstens angenähert stabilisiert wird.
Die angenäherte Stabilisierung des Befestigungspunktes kann z. B. durch ein Schwerkraftpendel
erzeugt werden. Es ist dabei möglich, daß das Pendel und das den Befestigungspunkt
tragende Organ eine starre Einheit bilden und sich um dieselbe Achse drehen können.
Das Pendel kann jedoch auch um eine besondere Achse drehbar sein und z. B. mittels
einer Stange oder mittels eines Stiftes und eines Schlitzes mit dem den Befestigungspunkt
tragenden Organ gekuppelt sein. Diese Anordnung ist besonders zweckmäßig, wenn die
Erfindung an einem vorhandenen Gerät verwendet werden soll und auf der Achse oder
den Achsen, um die der Kreisel sich einstellen kann, kein Raum für die Anbringung
des Pendels vorhanden ist.
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Im all-emeinen wird man das Pendel so leicht wie möglich drehbar machen
und es z. B. mittels eines Kugellagers aufhängen, so daß die richtige Einstellung
des Pendels unter dem Einfluß der an ihm angreifenden Kräfte sichergestellt ist.
Obwohl das Pendel dann nur kleine Momente auf seine Aufhängung ausüben kann, ist
es doch unerwünscht, daß diese Momente auf den Kreisel übertragen werden. Derartige
Erwägungen sind auch für die Lagerung eines vom Pendel getrennten, den Befestigungspunkt
für die Leitungen tragenden Organs gültig. Deshalb wird in
weiterer
Ausbildung der Erfindung das den Befestigungspunkt tragende, wenigstens angenähert
stabilisierte Organ für die Leitungsführung vom festen Lagergestell zum Kardanring
an dem festen Lagergestell und/oder das entsprechende Organ für die Leitungsführung
vom Kardanring zum Rotorträger am Kardanring gelagert. Soll das Pendel oder das
von diesem getrennte, den Befestigungspunkt tragende Organ direkt auf der Achse
aufgehängt werden, dann muß diese Achse in Gestalt eines Achsstumpfes an dem Teil
befestigt sein, das an der dem Kreisel abgewandten Seite liegt, während das andere
Teil sich dann z. B. mittels eines Kugellagers um diesen Achsstumpf drehen kann.
Bei dieser Anordnung tragen z. B. die festen Stätzböcke Achsstümpfe, um die sich
der Kardanring des Horizontkreisels drehen kann, und besitzt der Kardanring Achsstümpfe,
um die sich der Rotorträger dreht. Die Pendel oder die von diesen getrennten Organe
können sich dann auch um diese Achsstümpfe drehen. Wären die Achsstümpfe auf der
anderen Seite befestigt, dann könnte das Pendel oder ein von diesen getrenntes Organ,
wenn es auf einem von den Achsstümpfen drehbar wäre, ein Moment auf das. mit diesen
Stümpfen verbundene Teil ausüben. Bei dieser Ausführung ist es zweckmäßig, ein rohrförnüges
Teil um den Achsstumpf und das Aufhängelager zu legen, welches an dem Teil, das
an der dem Kreisel abgewandten Seite liegt, befestigt ist und nun das Lager für
das Pendel oder das von diesem getrennte Organ tragen kann. Schließlich kann man
in diesem Fall das Pendel oder das von diesem getrennte Organ auf einem Wellenstümpfchen
drehbar lagern, das auf der dem Kreisel abgewandten Seite des Kardanringes oder
auf der dem Kardanring abgewandten Seite der festen Unterstützung liegt.
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Um die elektrischen Leitungen auf der dem Kreisel abgewandten Seite
zu verdrehen, muß das Pendel ein gewisses Moment ausüben, das es nur liefern kann,
wenn seine Lage von der Senkrechten abweicht. Diese Lageabweichung wird ein zwar
kleines, jedoch unerwünschtes, verbleibendes Moment auf den Kreisel hervorrufen.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann dieses Moment dadurch auf einen geringeren
Wert zurückgeführt werden, daß in der Ruhelage die Zentren der Befestigungspunkte
der elektrischen Leitungen an dem kreiselstabilisierten und dem wenigstens angenähert
stabilisierten Organ mit der entsprechenden Kardanachse und der Drehachse des wenigstens
angenähert stabilisierten Organs in einer Ebene liegen und in der Ruhelage die Drehachse
des, wenigstens angenähert stabilisierten Organs weiter von dem Befestigungspunkt
der Leitungen an dem kreiselstabilisierten Organ entfernt ist als die Kardanachse.
Eine derartige Verlagerung ist sehr einfach dann zu
verwirklichen, wenn das.
Pendel auf einer hohlen Achse gelagert ist, welche die Drehachse des Rotorträgers
oder des Kardanringes umfaßt, indem man die Bohrung dieser Achse exzentrisch anordnet.
Wenn das Pendel jedoch um einen festen Achsstumpf drehbar ist wird darauf ein exzentrisches
Teil zur Lagerung des vom Pendel getrennten Organs befestigt, und wenn das Pendel
um ein besonderes Wellenstümpfchen auf der Außenseite des Kardanringes oder des
festen Stützbockes drehbar ist, dann wird dieses Stümpfchen mit Bezug auf die zugehörige
Kardanachse versetzt angeordnet. Der Drehpunkt muß in der Normallage der Vorrichtung
z. B. nach unten verlegt werden, wenn die elektrischen Leitungen über der Kardanachse
liegen, und er muß nach oben verlegt werden, wenn diese Leitungen unter der Kardanachse
liegen.
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Sind Pendel und getrenntes Organ um verschiedene Achsen drehbar, dann
kann die Kompensation der Kräfte, die von den Stromzuleitungen auf das Pendel ausgeübt
werden, auf verschiedene Weise zustande gebracht werden. Die Drehachse des Organs
kann auf dieselbe Weise versetzt werden wie beim Pendel, und Organ und Pendel können
derart gekuppelt werden, daß sie sich über gleiche Winkel bewegen. Vorzuziehen ist
jedoch in Weiterbildung der Erfindung eine Anordnung, bei der das Organ um dieselbe
geometrische Achse drehbar ist wie der Rotorträger oder der Kardanring und bei der
Pendel und Organ derart gekuppelt sind, daß das Organ einen größeren Winkel zurücklegt
als das Pendel. Die Auflagepunkte der biegsamen Leitungen auf dem Organ und auf
dem Teil, das sich auf derselben Seite befindet wie der Kreisel, beschreiben in
diesem Falle konzentrische Kreise, während die Enden des Leitungsbündels bei entsprechenden
Stellungen von Pendel und Kreisel gleiche Drehungen ausgeführt haben, so daß in
diesem Bündel keine Torsion auftritt und auf den Kreisel deshalb auch kein Moment
infolge einer derartigen Torsion ausgeübt wird. Eine derartige Anordnung ist daher
nicht nur vorteilhaft, wenn für das Pendel kein Raum vorhanden ist und das Pendel
daher anderswo angeordnet werden muß, sondern auch dann, wenn ein solcher Raum zur
Verfügung steht. Organ und Pendel können dann nebeneinander liegen, während Kreisel
und Organ sich um dieselbe Achse drehen und die Drehachse des Pendels mit Bezug
auf die obenerwähnte Achse versetzt ist. Wenn Pendel und Organ in diesem Falle zwischen
Teilen liegen, die sich mit Bezug aufeinander drehen können, dann muß das Lager
des Pendels die Achse des drehbaren Teiles umfassen und einen ziemlich großen Querschnitt
haben. Liegen Pendel und Organ auf der Außenseite des Kardanringes oder der festen
Stütze, dann können sie auf einem kurbelförnügen Achsstümpfchen drehbar gelagert
werden. Die Kupplung kann mittels einer Verbindung mit Stift und Schlitz zustande
gebracht werden.
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Die Verwendung eines Kompensationspendels gemäß der Erfindung ist
besonders wichtig bei einer Einstellachse des Kreisels, um welche lang andauernde
Lageabweichungen möglich sind. Bei einem auf einem Schiff angeordneten Horizontkreisel
liegt gewöhnlich die eine Einstellachse parallel zur Schiffslängsachse, während
die andere Einstellachse parallel zur Schiffsquerachse liegt. Die Bewegungen um
die Querachse sind ihrer Amplitude nach meistens kleiner als die Bewegungen um die
Längsachse. Außerdem kommen lang andauernde Lageabweichungen nur um die Längsachsee
vor, und zwar bei Schlagseite oder bei Fahrt in einer Kurve. Bei seiner Präzessionsbewegung
reagiert ein Kreisel nur sehr träge. Das von den elektrischen Leitungen ausgeübte
Moment hat deshalb, wenn die Pendelung symmetrisch mit Bezug auf die richtige Stellung
ausgeführt wird, nur ein sehr leichtes Pendeln des Rotorträgers um seine richtige
Stellung zur Folge. Die Verwendung eines Kompensationspendels gemäß der Erfindung
ist daher bei der Querachse nicht sehr wichtig und kann im allgemeinen unterbleiben.
Bei der Schiffslängsachse, um bei Schlagseite und Fahrt in einer Kurve während längerer
Zeit eine Abweichung in einer Richtung auftreten
kann, können die
Stromzuleitungen während längerer Zeit ein Moment in einer Richtung auf den Kreisel
ausüben und auf diese Weise einen wahrnehmbaren Fehler der Einstellung des Kreisels
verursachen. Die Verwendung des Kompensationspendels bei dieser Achse ist also viel
wichtiger.
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Bei der Fahrt in einer Kurve hat das Schiff Schlagseite nach außen.
Der Kreisel folgt dieser Schlagseite nicht, das Pendel ebensowenig. Das Pendel ist
jedoch der Zentrifugalkraft unterworfen und führt demzufolge eine etwas stärkere
Kompensation herbei als bei Schlagseite ohne Fahrt in einer Kurve. Wie oben erwähnt,
ist bei normaler Schlagseite die Kompensation nicht vollständig. Bei richtiger Wahl
der Dimension des Pendels kann die Kompensation bei Fahrt in einer Kurve besser
sein, weil das Pendel nach außen abweichen will und sich also weiter mit Bezug auf
das Aufhängemittel des Kreisels bewegt, als der Abweichung aus der vertikalen Lage
entspricht. Hat man Maßnahmen zur Erniedrigung des Einflusses der von den Stromzuleitungen
auf das Pendel ausgeübten Kräfte getroffen, damit bei konstantem Kurs eine bessere
Kompensation zustande kommt, dann tritt, wie aus der obenstehenden Erläuterung hervorgeht,
bei Fahrt in einer Kurve eine überkornpensation auf. Eine völlige Kompensation für
beide Zustände ist nicht möglich, und man wird für jeden Fall den Kompromiß suchen
müssen, der im Hinblick auf die besonderen Umstände am geeignetsten erscheint.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des Gegenstandes
der Erfindung dargestellt. Abb. 1 zeigt die Verwendung eines Kompensationspendels
gemäß der Erfindung bei einem Horizontkreisel; Abb. 2 a, 2 b und 2 c sind
Diagramme zur Erläuterung der Wirkung der exzentrischen Lagerung des Pendels; Abb.
3 a und 3 b zeigen andere Pendelausführungen zur Kompensation der
von den Stromzuleitungen auf das Pendel ausgeübten Kräfte.
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In Abb. 1 ist 101 ein Rotorträger, der auf einer in
einem Kardanring 103 gelagerten Welle 102 sitzt. Der Kardanring
103 ist mit seiner Achse 104 in Stützböcken 105 und 106 drehbar
gelagert, die auf einem Schiff aufgestellt sind. Die Achse 104 ist parallel zur
Schiffslängsachse angeordnet und dreht sich in Kugellagern, damit die Lagerreibung
niedrig bleibt. Die Stütze 106 für die Achse 104 und die mit ihr verbundenen
Teile sind zur besseren übersicht in axialer Richtung auseinandergezogen gezeichnet.
Die Stütze 106 besitzt einen zylindrischen Achsstumpf 113, um den
sich das Kompensationspendel 111 auf einem an ihm angeordneten Kugellager
112 drehen kann. Ein Bündel von Stromzuleitungen 109 läuft von einer Klemme
107 auf der Stütze 106 durch eine Tülle 110
auf dem Pendel,
in der das Bündel festgeldemmt ist, zu einer Klemme 108 auf dem Kardanring.
Ein Teil dieser Stromzuleitungen dient zur Speisung des mit der Welle 102 verbundenen
Stützmotors 116 und einem nicht gezeichneten Stellungsabgriff, durch den
Lageabweichungen des Kardanringes mit Bezug auf die Schwerkraftrichtung festgestellt
werden, und läuft nicht weiter als bis auf den Ring 103. Ein anderer, nicht
gezeichneter Teil der Leitungen zur Speisuno, des Antriebsmotors des Kreisels und
eines Stellungsabgriffs zur Feststellung der Lage des Rotorträgers bei seiner Bewegung
mit der Welle 102 mit Bezug auf die Schwerkraftrichtung führt über den Ring
103 zum Rotorträger. Obwohl auch hier ein Kompensationspendel Verwendung
finden könnte. ist aus den obenerwähnten Gründen darauf verzichtet worden. Der Achsstumpf
113 besitzt eine exzentrische Bohrung, die in der Richtung des Pfeiles
115 mit Bezug auf die Mittelachse des Stumpfes verlegt ist und die ein Kugellager
114 und den Achsstumpf 104 aufnimmt.
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Schlingert das Schiff um die Achse 104, dann bleibt der Kardanring
103 in der horizontalen Lage und das Pendel 111, von der kleinen Abweichung
infolge der von den Stromzuleitungen 109 ausgeübten Kräfte abgesehen, in
der vertikalen Lage. In den Stromzuleitungen tritt demzufolge zwischen der Tülle
110 und der Klemme 108 keine nennenswerte Torsion auf, und das von
den Stromzuleitungen auf den Kreisel ausgeübte Moment ist auf einen Bruchteil des
Momentes zurückgeführt, das ohne Pendel ausgeübt werden würde. Liegt der Kreisel
nicht im Schlingerzentrum des Schiffes, dann treten Horizontalbeschleunigungen auf.
Da der Kreisel jedoch meistens nicht sehr weit vom Schlingerzentrum entfernt aufgestellt
wird und die Frequenz eines schlingernden Schiffes ziemlich niedrig ist, sind die
Horizontalbeschleunigungen in diesem Falle nur von der Größenordnung von
Ihn bis 1/5o g. Die Lageabweichung des Pendels 111
infolge dieser
Beschleunigungen ist dann nicht größer als lll;.-, bis 21, wenn die Amplitude des
Schlingerns des Schiffes in der Größenordnun g von 30' liegt, und
zwar in einer derartigen Richtung, daß eine stärkere Kompensation zustande kommt,
die unter Umständen den ungünstigen Einfluß der zwischen der festen Klemme und dem
Pendel lieaenden Stromzuleitungen auf das Pendel einiedrigt. Auch in diesem Falle
wird das von den Stromzuleitungen auf den Kreisel ausgeübte Moment auf einen Bruchteil
des ursprünglichen Wertes zurückgeführt.
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An Hand der Abb. 2 a, 2 b und 2 c soll die Wirkung der exzentrischen
Lagerung des Pendels erläutert werden. G ist die Drebachse des Rotorträgers
oder des Kardanringes und S die Drehachse des Pendels. Beim Schlingern des
Schiffes beschreibt die Klemme 208, die der Klemme 108 in Abb.
1 entspricht, den Kreisbogen I, die Tülle 210, die der Tülle 119 in
Abb. 1 entspricht, den Kreisbogen 11 mit Bezug auf das Schiff. Das
Moment, das die Leitungen 109 zwischen der Tülle 110 und der Stütze
106 ausüben, hat die Wirkung, daß das Pendel bei der Drehung mit Bezug auf
das Schiff hinter dem Kreisel zurückbleibt. Bei passender Wahl der Abmessungen,
der Exzentrizität und des Gewichts des Pendels im Hinblick auf die Art des Leitungsbündels
kann dafür Sorge getragen werden, daß die Tülle bei der linearen Bewegung der Klemme
108 noch etwas vorbleibt. Auf den Kreisel wirkt daher einerseits wegen des
Zurückbleibens des Pendels bei der Drehung ein gewisses zurückdrehendes Moment,
andererseits wegen des Vorbleibens der Tülle bei der linearen Bewegung ein gewisses
dieses zurückdrehende Moment kompensierendes Moment. Bei richtiger Wahl der obenerwähnten
Werte kann man auf diese Weise den ungünstigen Einfluß des Ziarückbleibens des Pendels
infolge der Kräfte, welche die Leitungen zwischen Pendel und Stütze auf das Pendel
ausüben, zum größten Teil beseitigen. Die Richtung der Verschiebung der Achse des
Pendels wird von der Lage des Befestigungspunktes des Leitungsbündels auf dem Pendel
bestimmt. Die Verschiebung findet in derjenigen Ebene statt, die im Ruhezustand
der Vorrichtung (d. h. in
der Horizontallage) durch die betreffende
Kardanachse und durch das Zentrum des Befestigungspunktes des Leitungsbündels geht.
Diese Verschiebung ist in Abb. 2b und 2c für zwei andere Ausführungsbeispiele
dargestellt.
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Abb. 3 a zeigt eine Anordnung, bei der Pendel und Arm getrennt
sind. 301 ist das Pendel mit dem Gewicht, 302 und dem Drehpunkt
303. Es ist mittels einer Stange 304, die an den Stiften 305 und
306 angelenkt ist, nüt dem Arm 307 gekuppelt, der bei 309
in
einer Tülle das Leitungsbündel trägt und der sich bei 310 mit einem Kugellager
um die betreffende Kardanachse 308 drehen kann, um die auch der Rotorträger
oder der Kardanring drehbar ist. Die Stange 304 greift bei 305 und
306 an ungleichen Armen an, so daß sich der Arm j07 über einen größeren Winkel
als das Pendel dreht. Demzufolge hat das Pendel die vertikale Lage noch nicht erreicht,
wenn bei schräger Lage der Unterstützung der Kreiselvorrichtung der Arm
309 schon wieder die vertikale Lage angenommen hat. Die Abweichung, die das
Pendel dabei von der vertikalen Richtung zeigt, nimmt mit der Neigung der Unterstützung
der Vorrichtung zu und ermöglicht es dem Pendel, das mit der Neigung steigende Moment
der Stromzuleitungen zu kompensieren.
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Ist es nicht erwünscht, das von dem Leitungsbündel auf den Arm ausgeübte,
Moment zu kompensieren, dann werden die Abstände der Stifte 305 und
306 von den Drehachsen des Pendels und des Armes einander gleichgemacht.
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Abb. 3 b zeigt schließlich die schon besprochene Anordnung,
bei der ein exzentrisches Pendel 314 und ein konzentrischer Arm 313 nebeneinander
liegen und mittels eines Stiftes und eines Schlitzes gekuppelt sind. Kreisel und
Arm 313 sind um die Achse 311
drehbar. Das Pendel dreht sich um einen
Aufhängepunkt 315. Eine Verbindung mit Stift und Schlitz 316, 317
kuppelt Pendel und Arm.
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Eine sehr einfache Konstruktion entsteht, wenn, wie schon oben erwähnt,
bei einem Gerät gemäß Abb. 1 das Pendel an der Außenseite der Stütze
106
angeordnet wird. In Abb. 1 liegt das Pendel dann
links von
der Stütze 106, wo es um ein Achsstümpfchen drehbar angebracht sein kann.
Es braucht in diesem Falle für das Pendel kein Raum zwischen Stütze und Kardanring
vorgesehen zu werden. Das Kugellager des Pendels kann einen viel kleineren Querschnitt
haben. Eine exzentrische Anordnung des Pendels wird in einfacher Weise durch eine
Verlegung des Wellenstumpfes ermöglicht, ohne daß der Querschnitt des Lagers vergrößert
zu werden braucht.
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Die Drahtklemme 107 kann in diesem Falle auf der verlängerten
Welle oder auf einem an der Stütze 106 befestigten Arm angebracht sein. Auch
ein von einem getrennten Pendel a gesteuerter Arm kann auf diese Weise an der Außenseite
der Stütze befestigt sein, während eine derartige Anordnung des Pendels oder des
Armes an der Außenseite eines Kardanringes ebensogut möglich ist, wenn man auch
für die Welle 102 (Abb. 1) ein Kompensationspendel zu verwenden wünscht.
Wird das Achsstümpfehen kurbelartig ausgeführt, dann können ein konzentrischer Arm
und ein exzentrisches Pendel nebeneinander auf dieser Stütze drehbar sein.