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Gyroskop Die Erfindung betrifft Gyroskope.
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Bekanntlich sind fUr eine Navigation, Lenkung oder Steuerung verwandte
Gyroskope verhaltnismäf3ig Icostspielige und Icomplizierte Instrumente, die innerhalb
sehr enger Fehlergrenzen arbeiten müssen. Derartige Gyroskope sollten eine inhärente
Stabilität besitzen, insbesondere wenn es sich um Kreiselgeräte zur Ablatebestimmung
(displaoement gyroscopes) handelt, um durch äußere Vibrationen oder Stösse verursachte
Fehler möglichst gering zu halten. Die inhärente Stabilität wird jedoch weiter durch
Reibungskräfte und Unvollkommenheiten der verwandten Lagerverbindungen beeinflusst.
Derartige Kräfte und Unvollkommenheiten verursachen eine statistische Abtrift und
damit Ungenauigkeiten und Fehler.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, Nachteile und Schwierigkeiten
dieser Art zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
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Ein Gyroskop gemäß der Erfindung weist ein in einem Gehäuse angeordnetes
Kreiselelement auf, in welchem Gehäuse ein Suspensionsmedium vorhanden ist, welches
bei einer Rotation des Gehäuses mit diesem als Körper rotiert. Das Kreiselelement
ist in dem Medium so suspendiert, daß der rotierende Flussigkeitskorper das Element
von der Innenwand des Gehäuses in radialer Richtung distanziert
und
eine Einrichtung zum Rotieren des Kreiselelements um eine Achse darstellt, welche
mit der Rotationsachse des Gehäuses zusammenfallt.
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Vorzugsweise ist das suspendierende Medium eine Fliissigkeit, welche
den Innenraum des Gehäuses teilweise mit einer solchen Menge ausfullt, daM das Kreiselelement
schwimmt. Die axialen Enden des Kreiselelements sind von dem Gehäuse getrennt. Der
rotierende Flussigkeitskorper begrenzt ausgerichtete Säulen auf gegenüberliegenden
Seiten des Kreiselelements, die koaxial mit der Rotations achse liegen und den axialen
Abstand des Kreiselelements bestimmen.
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Das Gewicht des Kreiselelements ist geringer als dasjenige des von
dem Element verdrangten Suspensionsmediul welches Volumen den erforderlichen Auftrieb
gewährleistet. Das Ausmaß der fiir das Kreiselelement während des Betriebs durch
die suspendierende Flüssigkeit ausgeübten radiale Steifigkeit hängt von der Dichte
der Flüssigkeit ab. In wiinschenswerter Weise wird eine größere radiale Steifigkeit
erzielt, wenn eine suspendierende Fliissigkeit verwandt wird, die eine größere Dichte
als das Kreiselelement hat.
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Vorteilhafterweise sind diese Säulen verhältnismäßig starr, um das
Kreiselelement in axialer Richtung zwangsläufig zu positionieren. Sin bestehen etaweder
aus einer zweiten Fliissigkeit, welche eine geringere Dichte als die erste Flüssigkeit
hat und sich mit dieser nicht verDischt, oder aus einem komprimierten Gas. Diese
zweite Flüssigkeit wird im folgenden als die leichtere Flüssigkeit oder das leichtere
Gas bezeichnet.
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Das Kreiselelement ist vorteilhafterweise als Kugel ausgebildet,
insbesondere wenn es sich ein Verdrängungsgyroskop
(disniacement
gyroscope) hoher Genauigkeit handeln soll. Bei einem derartigen Gyroskop kann das
Kreiselelement als Ilohlkugel mit einer Konzentration der Masse entlang deren Äquator
ausgebildet sein, un1 den größtmöglichen Drehimpuls zu erzielen. Dieses Moment kann
ferner in vorteilhafter Weise erhöht werden, indem für das Kreiselelement ein Konstruktionsmaterial
Verwendung findet, das eine größere Dichte als das suspendierende Medium hat.
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Die oben beschriebene Hinrichtung Icann als Meßgyroskop Verwendung
finden, bei welchem die Rate der Prazess. ion des Kreiselelements die Rate der Winkelbeschleunigung
angibt. Zweckmäßiger-Aveise werden durclisicitige Materialien für das Gehäuse und
für den rotierenden Flüssigkeitskörper verwandt, um einen Vergleich einer Markierung
an dem Kreiselelement mit Bezugsmarkierungen zu ermöglichen, damit eine visuelle
Bestiinmung der Rate der Winkelbeschleunigung erfolgen kann.
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Gemäß der Erfindung wird das Kreiselelement von en Enden des rotierenden
Gehäuses durch die beiden erwähnten Säulen aus einem gasförmigen oder fliissigen
Medium in einem Abstand gelialten.
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Es wird eine Kammer vorgesehen, in welche ein Teil der leichteren
Fliissigkeit oder des leichteren Gases abgezogen werden kann, wenn das Gehäuse mit
der Kammer an dessen oberem Ende versehen wird.
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Das Gehliuse wird dann umgekehrt und gedreht, wenn der Kolben in die
Kammer zuriickgezogen wird, um eine zweite Säule aus dem leichteren Medi. um an
dem gegenüberliegenden Ende des ICreiselel emerti arorzusehen.
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Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es
zeigen :
Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Vorderansicht
eines Gyroskops gemäß der Erfindung ; Fig. 2 einen Teilschnitt durch dieses um eine
vertikale Achse rotierenden Gyroskops ; Fig. 3 eine teilweise im Schnitt dargestellte
Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung ; Fig. 4 und 5 Ansichten
des in Fig. 3 dargestellten Gyroskops in unterschiedlichen Lagen ; Fig. 6 und 7
Schnittansichten eines abgewandelten AusfUhrungsbeispiels der Erfindung, welche
zur ErlWuterung von Verfahrewnsschritten dienen ; und Fig. 8 eine Schnittansicht
entlang der Linie VIII-VIII in Fig. 6.
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Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Gyroskop hat ein äußeres Gehäuse
10 mit ausgerichteten-Lagerzapfen 12,14 an gegenüberliegenden Enden, welche in relativ
befestigten Lagern 16, 18 an einem Tisch 20 drehbar gelagert werden. Irgend eine
geeignete Einrichtung kann Verwendung finden, um das Gehäuse 10 zu drehen.
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Bei diesem Ausfuhrungsbeispiel ist ein Motor 22 dargestellt, weloher
über ein Band 24 und Antriebsrollen 26,28 den Drehzapfen 12 antreibt. In Fig. 1
und 2 treibt der Motor das GohOuse 10 an, welche um eine Achse r mit einer verhiltnism§ßig
hohen Drehzahl rotiert, welche für ein Gyroskop gewffihnlich etwa 10000 Udrehungen
pro Minute oder mehr betrigt.
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Das Gehäuse 10 ist teilweise mit einer ersten Flüssigkeit 30 ausgefüllt,
welche aufgrund der Rotation des GehWuses als ein Körper rotiert, dessen Ausbildung
der Ausbildung der in Longsrichtung liegenden Innenfläche des Gehäuses 10 entepricht.
Ebenfalls
in dem GehXuse 10 ist ein Kreiselelement 32 angeordnet,
dessen Gewicht kleiner als dasjenige der von dem Element verdrängten Menge der Fldssigkeit
30 ist. Da das Kreiselelement 32 in Flüssigkeit 30 durch Auftriebskraft suspendiert
ist, wird es durch den rotierenden Flüssigkeitskörper auf die Rotationsachse des
Gehäuses zentralisiert und weist somit in radialer Richtung von der Innenfläche
des Gehäuses 10 einen Abstand auf. Die aufgrund der Viskosität der Flüssigkeit 30
auftretende Reibung ermöglicht einen Drehantrieb auf das Kreiselelement 32 um eine
Spinachse s, welche mit der Gehäuseachse r zuaammenfällt. Die Umdrehungszahl des
Kreiselelements 32, sowie die Umdrehungszahl des FlUssigkeitskörpers 30 stimmen
im wesentlichen mit der Umdrehungszahl des Gehäuses 10 überein.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, hat das Kreiselelement 32 einen Abstand
von den gegenüberliegenden axialen Enden des Gehäuses 10. Die Flüssigkeit 30 füllt
nur zum Teil den Innenraum des GehXuses 10 aus, weloher durch das Kreiselelement
32 nicht eingenommen wird. Der rotierende Flüssigkeitskörper 30 begrenzt an gegenüberliegenden
axialen Enden des Elements 32 ausgerichtete Saule 34, die koaxial zu den Achsen
r und s verlaufen. Die durch den rotierenden Flüssigkeitskörper 30 begrenzten Säulen
34 dienen zur axialen Anordnung des Elements 32. Die Säulen 34 sind gewöhnlich mit
einem Medium 36 ausgefüllt, welches im folgenden als das zweite Medium bezeichnet
wird. Dieses zweite Medium kann entweder ein Gas oder eine Flüssigkeit sein, welches
die bereits erwdhnten physikalisohen Eigenschaften hat.
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Damit das Kreiselelement in axialer Richtung relativ zu dem Gehäuse
10 zwangsläufig gefuhrt wird, sollen die Säulen 34 zumindest im wesentlichen starr
sein. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, daß das Medium 36 eine Flüssigkeit ist,
da alle reinen Flüssigkeiten praktisch inkompressibel sind. Die Auswahl einer geeigneten
inkompressiblen Flüssigkeit ist jedoch einfach, da in bekannten Nachschlagwerken
die KompressibilitXt der meisten Flüssigkeiten nachgesehen werden kann. Das Medium
36 kann auch ein komprimiertes Gas sein, dessen Druck so hoch ist, daß das Kreiselelement
in axialer Richtung zwangsläufig geführt wird.
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Das Volumen der Flüssigkeit 30 reicht aus, um eine ununterbrochene
Bedeckung des Kreiselelements 32 entlang eines Umfangsabschnittes davon zu ermöglichen.
Der Durchmesser der Solen 34 kann zwischen einem Betrag liegen, der fUr einen derartigen
Kontakt ausreicht und einem unteren Betrag, der eine Aufrechterhaltung des Auftriebs
des Elements 32 und die gewünschte axiale Steifigkeit zur Stützung des Elements
32 ermöglicht.
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Die Durchmesser der Säulen 34 sind vorzugsweise gleich, so daß der
Kontakt der Flüssigkeit 30 mit dem Element 32 auf gegenüberliegenden Seiten einer
senkrecht zu der Achse s verlaufenden Mittelebene symmetrisch ist. Diese Beziehung
kann erzielt werden, wenn das Medium 36 eine Flüssigkeit ist, indem gleiche Volumen
der Flüssigkeit auf gegenuberliegenden Seiten des Elements 32 vorgesehen werden.
Wenn das Medium 36 ein Gas ist, kbnnen gleiche Durohmesser erzielt werden, indem
ein gleicher Druck und gleiche Volumen in den beiden Säulen vorgesehen werden, wenn
die Spinaohse r horizontal verläutt.
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Die Durchmesser der Säulen 34 hangen von deren Volumen ab.
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Jedoch wird die Gestalt dieser Säulen in wesentlichen nicht von dem
Druck oder durch das jeweils verwandte Medium 36 beeinflusst. Fig. 2 zeigt das um
90° serdrehte Gyroskop, wobei die Achsen r und s vertikal angeordnet sind. Die Säulen
34 nehmen wegen des Einflusses der Schwerkraft eine etwas parabolische Gestalt an.
Bei einer Drehzahl von etwa 10000 Umdrehungen pro Minute ist die in Fig. 2 dargestellte
parabolische Gestalt stark übertrieben und zeigt die ungefthre Gestalt dieser Säulen,
welche in einem 150 mal starkeren Schwerefeld vorhanden wäre. Ein derartiger Zustand
könnte auftreten, wenn das Gyroskop in einer axialen Richtung beschleunigt wird.
Diese Tendenz, eine parabolische Gestalt aufgrund von Schwerkraft oder Beschleunigungskrdften
anzunehmen, wird jedoch im wesentlichen nicht durch die Art des Mediums 36 beeinflusst,
wenn die Dichte des Kreiselelements 32 und der suspendierenden Flüssigkeit 30 nicht
sehr unterschiedlich sind.
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Das Gewicht des Kreiselelements 32 ist kleiner als das verdringte
Volumen des suspendierenden Mediums, zum Beispiel der Pldssigkeit 30, welche eine
geeignete Anordnung in radialer Richtung von der Innenwand des Gehäuses 10 bevirkt
und einen Drehantrieb um die Spinachse s ermdglicht. Der erforderliche Auftrieb
des Elements kann mit einem massive Kdrper erzielt werden, der aus einem Material
mit geringerer Dichte ale das suspendierende Medium besteht. Wahlweise kann ein
Hohlkörper aus verhältnismäßig dichten Materialien wie Blei hergestellt werden,
der in nicht reaktiven Medien geringerer Dichte wie beispielsweise in organischen
Flüssigkeiten, Wasser oder dergleichen zufriedenstellend arbeitet. Nach den
Grundsätzen
der Kreiseltheorie ist es wünschenswert, daß das Element 32 einen maximalen Drehimpuls
hat. Deshalb ist die Auswahl einer verhältnismäßig dichten Flüssigkeit niedriger
Viskosität vorzuziehen, so daß das Kreiselelement 32 aus einem Material mit hoher
Dichte hergestellt werden kann. Deshalb ist es zur Erzielung eines grüßeren Drehimpulses
zweckmäßig, Materialien mit so hoher Dichte wie Wolfram fUr das Kreiselelement und
Quecksilber als das suspendierende Medium zu verwenden. Da Wolfram eine höhere Dichte
als Quecksilber hat, würde ein derartiges AusfUhrungsbeispiel ein Kreiselelement
aufweisen, das eine Hohlkugel ist, welche eine äquatoriale Verdickung aufweist,
die eine gleichförmige Konzentration von Wolfram mit dem größtmöglichen Abstand
von der Rotationsachse aufweist. Die geringe Viskosität der Flüssigkeit hält fehlerhafte
Aufrichtungsmomente (Momente, welche s mit r in Fig. 1 auszurichten versuchen) in
Verdrängungsgyroskopen auf einem Minimum. Die Verwendung eines Mediums mit niedriger
Viskosität ergibt einen größeren Verdrängungswinkel und ein Signal fUr eine gegebene
Rate, was fUr Anwendungen von Gyroskopen zur Bestimmung von Raten wünschenswert
ist. Das leichtere Medium 36 darf sich nicht vermischen und soll mit den anderen
Elementen des Gyroskops, mit welchen es in Berührung steht, nicht reagieren.
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Ein geeignetes Medium 36 für ein Ausführungsbeispiel mit diesen Eigenschaften
kann unter üblichen Fltissigkeiten ausgewdhlt werden, welche eine geringere Dichte
als des Medium 30 haben, und die FlUssigkeiten wie Wasser oder organische Flüssigkeiten
mit niedrigem Dampfdruck sein kennen.
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Die Gestalt des Gehäu » glieds eines Gyroskops gemß der Erfindung
ist nicht kritisah. Ein kugelfbrmiges Glied oder irgen eine andere Gestalt mit einem
regulären Querschnitt ist geeignet
welche keine Turbulenz in das
rotierende Medium einführt. Für eine minimale Turbulenz ist es ferner wünschenswert,
das Gehäuse mit einer glatten Innenfläche auszubilden, die frei von Störstellen,
Vorsprüngen oder dergleichen ist, welche den StrUmungsverlau ! beeinflussen konnten.
Bei den beispielsweise dargestellten kugelfdrmigen oder als abgeplattetes Rotationsellipsoid
ausgebildeten Gehäusen sollen Störungen des Flußverlaufs vermieden werden.
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Die Auswahl einer Flüssigkeit 30 mit besonders hoher Dichte und eines
entsprechend schweren Kreiselelements 32 ist für ein Verdrängungsgyroskop besonders
vorteilhaft. Jedoch können auch andere Materialien vorteilhaft Verwendung finden,
nicht nur für Verdrängungsgyroskope, sondern auch für Ratengyroskope, wie im folgenden
noch näher erläutert werden soll. Aus den vorangegangenen Betrachtungen ergibt sich,
daß eine große Anzahl spezieller Gyroskope gebaut werden kann, von denen jedes eine
Einrichtung gemäß der Erfindung aufweist. Beispielsweise kann bei einem speziellen
Ausführungsbeispiel das Kreiselelement aus einem Material hergestellt sein, das
entweder einer geringere oder größere Dichte als das suspendierende Medium hat,
welches Element in einem Gehäusegljbd suspendiert ist, das eine oder mehrere Flüssigkeiten
enthält. Aus den obigen und den folgenden AusfUhrungen geht deshalb hervor, wie
die geeignetste Kombination der einzelnen Elemente fUr den speziellen Anwendungszweck
auszuwählen ist.
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Wenn das Kreiselelement 32 in der oben beschriebenen Weise rotiert,
wirkt es allen Kräften entgegen, welche eine Winkelversohiebung vibrer Spinachse
s versuchen, entspreohend bekannten, auf rotierende Kdrper anwendbaren Kreiselgesetzen.
Der rotierende
Flüssigkeitskorper 30 besitzt wie das rotierende
Gehäuse 10 ebenfalls diese Eigenschaft. Wenn der Tisch 20 ein Teil irgend eines
bekannten Gyroskopsystems ist, das auf einem Schiff, einem Flugzeug, einer Rakete
oder dergleichen Verwendung finden kann, führt irgend eine ilnderung der Winkelorientierung
des betreffenden Fahrzeugs zu einer Verdrängung der Winkelorientierung des Tisches
20. Wenn diese Änderung nicht nur um die Achse r erfolgt, wird dadurch eine Verdrängung
der Gehäuseachse r in eine Lage erzeugt, welche durch die Achse r'gekennzeichnet
ist, wodurch eine Winkelverschiebung zwischen der Achse r und der Spinachse s des
Kreiselelements erzeugt wird.
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Zum Nachweis der Winkelverschiebung eines Aufbautischs relativ zu
einem Kreiselelement ist die Verwendung von Abnahilleeinrichtungen üblich. Bei iiblichen
Gyroskopen enthalten derartige Abnahmeeinrichtungen induktive, kapazitive und optische
Nachweisinstrumente. Im vorliegenden Falle wird ein optisches Nachweisinstrument
vorgezogen, weil daulit eine sehr hohe Genauigkeit erzielbar ist und veine messbare
Kraft auf das Kreiselelement ausgeübt wird, welche eine Präzession und eine statistische
Abtrift erzeugen Iconnte.
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In Fig. 1 ist eine optische Abnahmeeinrichtung 38 dargestellt, welche
an dem Lacer 18 angeordnet ist und ein Autokollimationsfernrohr geeigneter Konstruktion
sein kann. Dieses Instrument (auto auto collimater) enthält eine Einrichtung, um
ein kollimiertes Lichtbiindel entlang der Achse r gegen eine reflektierende Fläche
40 zu richten, welche in einer querverlaufenden Ebene auf dem angrenzenden Ende
des Elements 32 liegt.
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Der Drehzapfen 14 ist hohl ausgebildet, während die Endwand des Gehäuses
10 an der Basis des Drahzapfens 14 genau wie das Medium 36
durchsiclitig
sind, so daf'das von dem optischen Instrument austretende Lichtbündel hindurchgelangen
kann. Dieses Lichtbiindel wird von der Pläche 40 zurück zu der Nachwciseinrichtung
des optischen Instruments reflektiert. Das optische Instrument selbst ist in einem
Servo-Steuersystem mit Nullabgleich vorgesehen, durch das die Winkelorientierung
des Tischs 20 änderbar ist. Derartige Servo-Systeme sind belçannt. Solange die Achsen
r und s zusammenfallen, verläuft das von der Flache 40 reflektierte Lichtmindel
entlang desselben optischen Wegs wie das einfallende BUndel.
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Wenn jedocli eine Winkelabweichung zwischen dem Achsen r und s auftritt,
verläuft das reflektierte Lichtbündel unter einea Winkel im Vergleich zu defn einfallenden
LichtbUndel, welcle ; inkelabweichung durch eine lichtempfindliche Nachweiseinrichtung
des optischen Instruments nacllgewiesen wird, welches positive und negative Abweichungen
entlang der x-und y-Achse feststellt. Durch den Nachweis derartiger Abweichungen
wird das Servo-System betätigt, um den Tisch 20 zu verstellen, bis die Achse r wieder
mit der Spinachse s des Kreiselelements ausgericlitet ist. Daraus ist ersichtlich,
daß ein derartiges Gyroskop als ein Gyroskop mit zwei Freiheitsgraden arbeiten kann.
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Ein derartiges optisches Instrument und andere optische Nachweiseinrichtungen
können Winkelabweichungen von einer Bogensekunde oder weniger feststellen. Unter
Berücksichtigung dieser Tatsache und unter Beachtung des Umstands, daß das Gehäuse
10 relativ zu dem rotierenden Flüssigkeitskorper 30 verlagert wird, ergibt sich
eine Zeitverzogerung, bevor die inneren Teile des Flussigkeitakorpers die Sgulen
34 in eine koaxiale Beziehung mit der neu ein. genommenen Orientierung der Achse
r (wenn sie in ihre Lage riversclioben laird) bringen könnten. Die Reibungskräfte
der FlUssigkeit.,
30 relativ zu dem Element 32 bleiben zumindeot
im wesentlichen unverändert. Deshalb ist en möglich, die Achse r wieder mit der
Spinachse s auszurichten, bevor irgendwelche Kraft die räumliche Lage der Spinachse
s ändern konnten, was ein kritisoher Faktor ist, der die inhärente Genauigkeit des
Gyroskops selbst beeinflusst.
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Die Genauigkeit des Gyroskops wird ferner durch den gyroskopischen
Stabilisierungseffekt des rotierenden Flffoslgkeitskörpers 30 verbessert.
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Des beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt die wesentlichen Merkmale
zur Erzielung einer ruhigen Genautgkelt eines Gyroskope mit zwei Freiheitsgraden.
Es ist jedoch ersichtlich, daß viele andere Konstruktionen entsprechend der Erfindung
ausgebildet werden können, beispielsweise mit komplizierteren Lagern für die Drehzapfen
des Gehäuses, Vibrationen dämpfende Binrichtungen fUr den Antrieb des Gehäuses oder
dergleichen Abwandlungen.
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Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeisptel der Erfindung, das besonders
als ein solches Gyroskop verwendbar lot, mit dem der Betrag oder die Rate einer
Winkelverschiebung eines Fahrzeugs oder dergleichen gemessen werden soll. Das in
Fig. 3 dargestellte Gyroskop enthXlt dieselben grundsatzlichen Komponenten wie das
vorher beschriebene Ausfuhrungsbeispiel. Ein Gehkuse 50 ist mit Drehzapfen 52 an
gegenüberliegenden Enden in Lagern 54 drehbar gelagert. Ein Motor 56 ist vorgesehen,
um das Gehäuse um eine Achse r über den Riemenantrieb 58 anzutreiben.
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Ein Kreiselelement 60 ist in dem sich drehenden Gehäuse 50 angeordnet,
welches teilweise mit einer Flüesigkeit 62 ausgefüllt ist. Das Gewicht des Kreiselelements
60 ist geringer als dasjenige
der von dem Element verdrängten Flüssigkeit
62. Eine Rotation des Gehduoes 50 bewirkt, daß die Flüssigkeit 62 als ein Körper
rotiert, welcher das Kreiselelement 60 in radialer Richtung von der Innenfläche
des Gehäuses fernhält und um eine Spinachse s dreht, welche mit der Achse r zusammenfällt.
Der rotierende Fldssigkeitskörper 62 begrenzt Säulen 64 an gegenüberliegenden axialen
Enden des Kreiselelements 60, welche das Kreiselelement von dem Gehäuse 50 in axialer
Richtung fernhalten. Die Säulen 64 bestehen vorzugsweise aus einer zweiten leichteren
Flüssigkeit 66, um das Kreiselelement/in axialer Richtung des Gehäuses/in der beschriebenen
Weise zuverlässig zu fuhren.
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Zu Zwecken der Erläuterung soll angenommen werden, daß das Gyroskop
in Fig. 3 in einem Flugzeug angeordnet ist, wobei die Achse r horizontal und quer
zu der Ldngsachse des Flugzeugs verläuft, welche als die Steigungsaohse bezeichnet
wird. Wenn das Flugzeug um seine LXngsachse rollt, dreht sich die Achse r in einer
vertikalen Ebene relativ zu der Spinachse s. Wenn das Flugzeug eine Azimutxvendung
macht, dreht sich die Achse r in einer horizontalen Ebene relativ zu der Spinachse
s. Winkeländerungen um zwei Achsen können auf diese Weise angezeigt werden, woraus
ebenfalls ersichtlich ist, daß es sich um ein Gyroskop mit zwei Freiheitsgraden
handelt.
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Nach einer Drehung der Achse r um einen verhältnismäßig kleinen Winkelabstand,
wird ein Aufrichtungsmoment auf das Kreiselelement 60 ausgeUbt, welohes so gerichtet
ist, daß die Achse s mit der Achse r wieder ausgeriohtet wird. Der Betrag der axialen
Verschiebung zwischen der Achse s und r ist proportional dem Winkelbetrag der Drehung
und kann so geeicht werden, daß die Größe dieser Rate der Drehung angezeigt wird.
Das Ausmaß einer Winkelverschiebung
der Achsen r und s kann durch
eine Abnahmeeinrichtung nachgewiesen werden, welche verschiedene Arten von Nachweisinstrumenten
der erwahnten Art--enthalten kann. Dieses Ausfiihrungsbeispiel dient jedoch in erster
Linie dazu, eine visuelle Anzeige der Rate der Drehung anzugeben.
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Zu diesem Zwecke ist das Gehäuse 50 aus einem durchsichtigen Material
hergestellt. Die Fliissigkeit 62 ist ebenfalls durchsichtig.
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Das Kreiselelement 60 ist nach den beschriebenen GrundsEtzen ausgebildet,
indem es eine geringere Dichte als die Dichte der Flüssigkeit 62 hat. Eine Markierungslinie
68 oder dergleichen ist entlang des Äquators des kugelförmigen Elements 60 vorgesehen.
Die Linie 63 ist deshalb sichtbar, wenn das Kreiselelement in dem GehAuse 50 rotiert.
Eine Anzahl von Bezugslinien 70 können auf der Innenseite (um Parallaxonfehler möglichst
gering zu halten) des Gehduses 50 vorgesehen sein, um zur Feststellung des Ausmasses
der Winkeldrehung einen Vergleich mit der Bezugslinie 68 zu ermöglichen.
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Wenn das Flugzeug rollt, sich also um seine Längsachse dreht, wird
die Achse r relativ zu dem Element 60 gedreht, welches dazu tendiert, sich weiter
um eine horizontale Achse zu drehen. Fig. 4 zeigt die relative Lage des Gehäuses
50 und des Elements 60 während einer Rolle. Die Verschiebung a zeigt die Rate der
Rolle an, und die Linien 70 können geeicht werden, um die Grole anzuzeigen.
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Fig. 5 zeigt eine Azimutdrehung, wobei das Gehäuse 50 in einer horizontalen
Ebene relativ zu dem Element 60 gedreht wird.
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Der Abstand b zeigt die Rate der Drehung und die Linien 70 können
ebenfalls geeicht werden, um quantitativ die Grdße anzuzeigen.
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Es ist ferner zu bemerken, da8 diese Ausführungsform so abgewandelt
werden kUnnte, daß eine Betrachtung entlang deren Achse für dieselbe Funktion wie
ein Ratengyroskop erfolgt. Wenn dies der Fall ist, kann eine Markierung an der axialen
Endfldche des Kreiselelements gegen x-und y-Koordinaten angepasst und verlichen
werden, um die Rate und Richtung der Winkelrate einer Drehung festzustellen.
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Obwohl das Kreiselelement anfänglich von den axialen Oberflächen
des rotierenden GehSuses in verschiedener Weise distanziert werden kann, sind die
nun zu beschreibende Einrichtung und ein entsprechendes Verfahren vorzuziehen. Eine
derartige Einrichtung ist in den Fig. 6 bis 8 dargestellt, welche eine Abwandlung
des Ausführungsbeispiels in Fig. 1 zeigen, wobei eine Kammer 80 in dem Lagerzapfen
12 ausgebildet ist. Ein Kolben 82 ist in dieser Kammer verschiebbar angeordnet,
welche an ihrem äußeren Ende (durch einen in den Lagerzapfen 12 eingeschraubten
Stopfen 83) verschlossen und zu dem Innenraum des GehHuses 10 offen ist. Ein sich
nach auBen erweiternder Halsteil 84 ist an dem Kolben 82 ausgebildet, so daß eine
Schulter 85 vorhanden ist, welche abdichtend an einer eingezogenen Umfangslippe
86 anliegt, welche die Offnung der Kammer 80 in das Gehduse 10 begrenzt. Eine Anzahl
von Kandlen 87 (Fig. 8) erstreckt sich durch den Halsteil S4 und bilden Öffnungen
an der Schulter 86. Eine zweite Gruppe von Kanälen 88 läuft durch die Lippe 86 und
ist von den Kanälen 87 winkelig versetzt.
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Zum Verschieben des Kolbens 82 in und aus der Kammer 80 ist eine
Einrichtung vorgesehen, welche einen an dem Kolben 83 befestigten Perr, lanentmabnet
90, eine den Kolben 82 aus der Kammer 80
herausdrückende Druckfeder
92, sowie eine Spule 94 aufweist, welche den Magnet 90 umgibt und dazu dient, dessen
Polarität umzulcehren. Die Spule 94 ist über Drähte mit einem Zentrallontakt 95
und einem ICreiskontalct 96 verbunden, welche mit stationären Kontakten 97,98 an
einem Arm 99 verbunden sind, der an dem Lager 16 befestigt ist. Drähte w verbinden
die Spule 94 mit einer geeigneten Schaltung zur Umkehrung der Polarität, so daß
im Ergebnis die Feldstärke des Magnets 90 annulliert wird. Wenn die die Polarität
umkehrende Einrichtung die Feldstärke des Magnets 90 aufhebt, verschiebt die Feder
92 den Kolben 82 aus der Kammer 80 in den Innenraum des Gehäuses 10.
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Wenn iibliche, die Polarität umkehrende Einrichtungen verwandt werden,
dberwindet der Magnet 90 die Kraft der Feder 92 und zieht den Kolben 82 in die Kammer
80 zurück. Bei der beschriebenen Einriehtung wird bei einem Ausfall der elektrisohen
Erregung der Kolben 82 nicht aus der Kammer herausgeschoben, weil die durch den
Permanentmagnet ausgeübte Kraft bei der Betriebspolaritat die Federlcraftüberschreitet.
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Das Gehäuse 10 mit der Kammer 80 werden anfXnglich vollständig mit
Flüssigkeiten 30 und 36 mit vorherbestimmten Anteilen' auegefüllt. Das Gyroskop
wird dann mit der Achse r vertikal angeordnet, wobei sich die Kammer 80 am oberen
Ende des Gehausee 10 befindet. Es ist ferner ersichtlich, daß der Kolben 82 sich
dabd in einer vorragenden Lage befindet und eine Spitze 102 hat, die von einer Aussparung
in dem axialen Ende des Elements 32 gegenUber der Flache 40 aufgenommen (wird. Wenn
das Gyroskop abgestellt ist, befindet sich der Kolben 82 normalerweise in dieser
vorragenden Lage, so dsß die Fläche 40 zu der optischen Abnahmeeinrichtung 38
weist,
wenn das Gehause 10 wieder gedreht wird. Nacli der Anordnung in eine vertikale Lage
wird der Kolben F, vorzugsweise so verschoben, dan sSmtliche suspendierende Flüssigkeit
30 (falls solche vorhanden ist) aus der Kammer 80 entfernt wird und sich auf der
Unterseite des Gehauses 10 absetzt, wahrend die gesanite leichtere Fliissigkeit
36 wu der Oberfläche ansteigt, so daß nur die Flüssigkeit 36 in der Kammer 80 ist.
Der Kolben t wird dann durch die Feder 92 vollständig aus der Kammer 30 verdrangt,
wenn die die Polaritdt umkehrende Spule 94 über den Schalter 100 betätigt wird,
so dan darin ein Teil der Flüssigkeit 36 eingeschlossen wird, wie aus Fig. 7 ersichtlich
ist.
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Wenn der Kolben 82 vollständig verschoben ist, befindet sich eine
Schulter 35 in abdichtender Berührung mit der Lippe 90, wodurch eine weitere Strömung
der Flüssigkeit 6 in oder aus der Kammer 80 durch die lçanäle 87, 88 verhindert
wird. Die Schulter 85 kann gegebenenfalls nicht körperlich an der Lippe'6 angreifen,
ist aber hinreichend nahe dazu, um einen Flüssigkeitsdurchtritt zwischen der Kammer
80 und dem GehWuse 10 zu verliindern, wenn dieses in die Lage entsprechend Fig.
7 umgedrehte ist. Der Motor 23 wird betatigt, um das Gehäuse 10 um eine Achse r
zu drehen, wenn das Gyroskop auf diese Weise umgedreht wurde, oder zu einem Zeitpunkt,
in welchem die Fliissiglieit 36 in eine Säule zwischen dem Abnahmeende des Gehäuses
10 und dem Ende der Kugel mit der Flache 40 eingeschlossen ist. Von der Rotation
des Gehäuses herriihrende Zentrifugalkraft bewirlct die Ausbildung einer derartigen
Säule an dem oberen Ende des die Flüssigkeit 36 einschliessenden Gehäuses, wie aus
Fig. 7 ersichtlicll ist. Wenn ein Teil der Flüssigkeit auf diese Weise am einen
Ende des Gehuses 10 eingeschlossen ist, wird dann der Kolben 82 durch den Magnet
90
zurückgezogen, wenn die Spule 94 abgeschaltet wird. Die Flüssigkreit
36 tritt aus der Kammer 80 aus und wird an den : gegenüberliegenden Ende des Elements
32 eingeschlossen, während die Fliisslglkeit 30 eine zweite Säule 34 aus der Flüssigkeit
36 zwischen dem Gehäuse und dem angrenzenden axialen Ende des Elements 32 begrenzt,
wie aus Fig. 1 ersichtlich ist.
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Durcli eine geeignete Dimensionierung der Kammer S0 und des Kolbens
Sn ist es möglich, in einfacher Weise gleiche Volumina der Flüssigkeit 36 an gegeniiberliegenden
Enden des Elements 32 zu erhalten, so daß die gewünschten gleichen Durchmesser der
Säulen 34 ausgebildet werden können.