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Selbsttätige Stabilisierungsvorrichtung für Luft- oder Seefahrzeuge
Es sind Steuereinrichtungen für Luft- oder Seefahrzeuge bekannt mit einem am Hinterteil
des Fahrzeugs angebrachten, hinter seinem Angriffsmittelpunkt angelenkten Hauptruder
und einem hinter dem Hauptruder angelenkten Hilfsruder sowie einer kinematischen
Verbindung zwischen dem Fahrzeugkörper und dem Hilfsruder, welche das letzte zwingt,
im Falle einer Drehung des Hauptruders in einem bestimmten Sinne gegenüber dem Fahrzeug
sich in ,demselben Sinn gegenüber dem Hauptruder zu drehen. Diese Einrichtungen
werden als gesteuerte Ruder verwendet, d. h. also, daß der Führer des Fahrzeugs
mit Hilfe eines geeigneten Leitwerks die Einstellung des Hauptruders steuert, womit
beabsichtigt .ist, die Handhabung des Ruders durch Verringerung der Widerstandskräfte
zu erleichtern, welche auf das Ruder ausgeübt werden, wenn es seine normale Lage
unter der Einwirkung des Fahrzeugführers verläßt.
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Die Erfindung bezieht sich dagegen auf eine selbsttätige Stabilisierungsvorrichtung
mit einem Rudersystem, welches ohne Einwirkung des Fahrzeugführers arbeitet, um
in jedem Augenblick das Fahrzeug in die Richtung des Windes oder der Strömung einzustellen,
so daß die Stabilität des Fahrzeugs selbsttätig gewährleistet wird, gleichgültig,
um welche Änderungen es sich beim Richtungswechsel des Windes oder der Strömung
handelt. Dies Problem ist an sich nicht neu, und man kennt bereits Einrichtungen
zur selbsttätigen Stabilisierung von Luft- oder Seefahrzeugen mit einem am Körper
des Fahrzeugs angelenkten Hauptruder, einem an dem Hauptruder angelenkten Hilfsruder
und einer kinematischen Verbindung zwischen dem Hilfsruder und dem Körper des Fahrzeugs,
welche das Hilfsruder zwingt, seine Lage in bezug auf das Hauptruder zu ändern,
wenn das letztere seine Stellung in bezug zum Fahrzeugkörper ändert.
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Es ist sehr vorteilhaft, daß Stabilisierungseinrichtungen dieser Art,
welche entsprechend den Änderungen des Gegenwindes oder des Fahrtwindes wirken,
hinter dem Fahrzeug angeordnet
werden; denn diese Anordnung gewährleistet
selbsttätig die Dämpfung der Schwingungen. Es ist dabei aber notwendig, daß die
Stabilisierungsvorrichtung in der Weise ausgebildet wird, daß eine Richtungsänderung
des Gegenwindes oder Fahrtwindes das Hauptruder in umgekehrtem Sinne dreht, damit
die durch den Gegenwind oder Fahrtwind auf dem Hauptruder erzeugte Rückwirkung gesteigert
wird. Bisher hat man aber bei Stabilisierungseinrichtungen, welche diese Bedingungen
erfüllen, das Hilfsruder vordem Hauptruder angeordnet, das zu diesem Zweck mit Armen
versehen ist, welche vorn den Drehzapfen des Hilfsruders tragen.
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Der Erfindung liegt die. Aufgabe zugrunde, eine Stabilisierungsvorrichtung
derselben Art herzustellen, die aber eine einfachere bauliche Ausführung besitzt
und leichter sowie widerstandsfähiger ist und bei welcher das Hilfsruder hinter
dem Hauptruder gelenkig gelagert ist.
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Es gibt zwar Stabilisierungseinrichtungen, bei denen das Hilfsruder
hinter der Hauptfläche angelenkt ist. Diese bekannten Einrichtungen drehen sich
aber unter dem Einfluß einer Drehung des Gegenwindes oder Fahrtwindes in demselben
Sinne wie diese Winddrehungen, statt sich im entgegengesetzten Sinne zu drehen,
wie es bei der Einrichtung gemäß der Erfindung der Fall ist.
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Um das der Erfindung zugrunde liegende Problem zu lösen, wird von
den eingangs erwähnten Mitteln Gebrauch gemacht, die schon bei gesteuerten Rudereinrichtungen
an sieh bekannt sind. Jedoch kennzeichnet sich die Erfindung dadurch, daß das Hauptruder
vollständig frei ist, während das Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehung des
Hauptruders zum Fahrzeug einerseits und der Drehung des Hilfsruders zum Hauptruder
andererseits so groß ist, daß jeder Richtungsänderungdes Fahrtwindes oder der Strömung
eine Drehung des Hauptruders entspricht, welche den von der neuen Wind- oder Ströinungsrichtung
und dem Hauptruder .gebildeten Winkel zu vergrößern sucht und so das Fahrzeug in
die neue Wind- oder Strömungsrichtung lenkt. Hierdurch wird eine selbsttätige Stabilisierungseinrichtung
geschaffen, welche zugleich ein am Hinterteil des Fahrzeugs an.gelenktes Hauptruder
und ein hinter dem Hauptruder an.gelenktes Hilfsruder aufweist, was größtmögliche
Einfachheit, Leichtigkeit und Widerstandsfähigkeit bedeutet.
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In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht:
Fig. i zeigt das Schema eines Hauptruders, Fig. z ein Diagramm der Wirkungsweise
dieses Hauptruders, Fig.3 das Schema eines Hilfsruders, Fig..I ein Diagramm der
Wirkungsweise dieses Hilfsruders, Fig.5 das Schema der gesamten Rudereinrichtung,
Fig.6 ein Diagramm der Wirkungsweise dieser Einrichtung, Fig.7 schematisch den Grundriß
eines Flugzeugs, Fig. ä die gleiche Ansicht nach Änderung der Windrichtung, Fig.
g die Seitenansicht einer Ausführungsform der gesamten Rudereinrichtung, Fig. io
die Frontansicht einer Vorrichtung gemäß Fig. g und Fig. i i den Grundriß zur Fig.
g.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung setzt sich aus zwei wesentlichen
Teilen A und B zusammen, die zunächst getrennt beschrieben seien.
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Der Teil A (Fig. i) besteht aus einer vollständigen oder abgestumpften
Fläche i, die beiz an einem festen Halter angelenkt ist. Die Achse :2 liegt hinter
dem Angriffsmittelpunkt. Der Teil ist in ausgezogenen Linien in derjenigen Lage
dargestellt, welche er bei unstabilem Gleichgewicht einnimmt, wenn der relative
Wind in Richtung des Pfeiles f strömt, und in punktierten Linien in einer Lage bei
unstabilem Gleichgewicht, wenn der Wind sich in die Richtung f1 gedreht hat, die
zinen Winkel i mit der Richtung f bildet.
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In Fig. a ist voll ausgezogen die Kurve 3 dargestellt, welche die
durch den Wind der Richtung f auf die Fläche Z ausgeübten Kräfte angibt, wenn diese
Fläche auf beliebige Weise veranlaßt wird, einen Winkel mit der Richtung f zu bilden.
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In dein in Betracht kommenden Arbeitsbereich sind diese Kräfte proportional
den Winkeln, und sie haben naturgemäß das gleiche Vorzeichen, da die Kräfte suchen,
die Winkel zu vergrößern, worin ja das Wesen des unstabilen Gleichgewichts besteht.
Die Winkel sind als Abszissen, die Kräfte als Ordinaten aufgetragen. Die Kurve 3
stellt eine Grade durch den Nullpunkt unter dem positiven Winkel a dar. Wenn der
Wind die Richtung f' einnimmt, so bildet die neue Lage der Fläche L bei unstabilem
Gleichgewicht, die in Fig. i gestrichelt gezeichnet ist, einen Winkel i mit der
Richtung f. Hierbei gelangt die Kurve 3 nach q., wie dies in Fig. 2 strichpunktiert
veranschaulicht ist, was bedeutet, daß die Lage der Fläche Z bei unstabilem Gleichgewicht
sich ebenfalls um den Winkel -I- i ändert, wenn sich die Richtung des Windes um
-i- i ändert.
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Der Teil B (Fi:g. 3) ist eine vollständige oder abgestumpfte Fläche
5, die bei 6 an einem Arm 7 angelenkt ist, der bei 8 mit einem festen Träger gelenkig
verbunden ist.
Der Arm 7 verläuft in derselben Richtung wie der
Gegenwind von der Richtung f. Die Fläche 5 ist ferner mit dem festen Träger derart
verbunden, daß. jeder Bewegung des Arms 7 in bezug .auf diesen Träger eine Bewegung
der Fläche 5 in bezug auf den Arm 7 entspricht. Diese Bewegung soll derart ver-"
laufen, daß der von der Fläche 5 in bezug auf den * Arnu 7 durchlaufene Winkel ß
gleich n # a ist,. wobei n einen positiven Koeffizienten darstellt.
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Unter diesen Bedingungen ist die Vorrichtung natürlich stabil, weil
jeder Drehung des Arms 7 in bezug auf den Träger, da die Richtung des relativen
Windes oder Gegenwindes unverändert oder fest bleibt, ein Moment entspricht, welches
das ganze System in die Anfangslage zurückzuführen sucht. Wenn der Wind sich um
den Winkel i dreht, so findet die Vorrichtung eine Gleichgewichtslage wieder, nachdem
sie eine Drehung ausgeführt hat (vgl. die in Fig. 3 gestrichelt gezeichneten Linien),
bei welcher: oc+n a (i + n) - i; und
wobei 0<k ist.
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Die Kurve für i = o ist bei g auf dem Diagramm der Fig.4 dargestellt,
während die Kurve für einen gewissen Wert von i in diesem Diagramm mit io angegeben
ist. Diese letztere Kurve ist gegen die Kurve 9 um k # i
verschoben.
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Die Teile A und B sind gemäß Fig. 5 miteinander verbunden, wobei der
Arni 7 die Fläche i verlängert oder durch diese Fläche selbst gebildet wird. Die
Fläche i wird auf diese Weise Hauptruder und die Fläche 5 Hilfsruder, wie es bei
gesteuerten Rudern bekannt ist. Bei dieser bekannten Anwendung jedoch gestattet
ein Leitwerk dem Fahrzeugführer, die Einstellung des Hauptruders i nach Belieben
zu ändern, .während das Hilfsruder 5 allein dazu dient, diese Handhabung durch Verminderung
der Widerstandskräfte, die auf das Hauptruder wirken, zu erleichtern.. Dagegen ist
gemäß der Erfindung das Hauptruder i vollständig frei, und das Hilfsruder 5 hat
den Zweck, die Einstellung des Hauptruders in einem solchen Sinne selbsttätig zu
machen, daß sich - das Fahrzeug stets in die Richtung der Strömung einstellt.
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Wenn beispielsweise das Flugzeug i i (Fig.7) sich in entgegengesetzter
Richtung zu dem Wind F bewegt und diese Richtung nach F1 geändert wird, so muß das
gesamte Ruder 12" -das aus den beiden Teilen A und B besteht, selbsttätig die Lage
gemäß Fig. 8 einnehmen, in welcher das Flugzeug bestrebt ist, in Richtung des Pfeiles
p zu schwenken.-Dies Ergebnis wird offensichtlich erhalten, wenn sich das Hauptruder
unter der Einwirkung der Änderung der Windrichtung dreht, so daß sich, der Winkel,
den es mit der neuen Windrichtung bildet, vergrößert.
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Die Gleichungen der Stabilitätskurven 4 (Fig.2) und io (Fig.4) lauten
demnach y-a.x-b (i) y - _ a' . x -I- b, (a)
wobei a,
b, d und b' positive Koeffizienten sind. Die Stabilitätskurve der
gesamten Rudereinrichtung gemäß Fig. 6 ergibt 'sich aus der Zusammensetzung der
Kurven 4 und io; ihre Gleichung lautet Y - (a - a') X -f- (b'-
b) (3)
Damit dies System stabil ist, muß sein a-a' <o
d. h. also
Außerdem muß, damit dies System bei einer Winkellage a entgegengesetzten Vorzeichens
in bezug ,auf den Drehwinkel i des Windes im Gleichgewicht ist (worin das wesentliche
Merkmal der Erfindung besteht), sein b-b' > o
Für die Gleichgewichtslage Wird
dann die Gleichung (3) o - (a -a') ac + (b'- b)
Hieraus
ergibt sich:
Wenn also a < o (bei der Annahme i > o)
sein muß und andererseits
a-a' <o
ist, so ergibt sich folgende Bedingung: b-Y>o (4) Man erhält also
aus- den Gleichungen (i) und (2) o-a#i-b (i) o=-a'.k#i#+ b' (2') woraus sich
ergibt: b-a#i - b'@a'.k-g
Die Ungleichung (.4) wird also:
i(a-a'#k)@o a>a'#k
Die aber
ist, so erhält man
oder auch
Es ist also ersichtlich, daß die Größe ra, welche das Verhältnis zwischen der Drehung
des Hauptruders zum Fahrzeug einerseits und der Drehung des Hilfsruders zum Hauptruder
andererseits größer sein m@uß als .der positive Wert
. Wenn dieser Beziehung nicht genügt wird, so ist die entsprechende Rudereinrichtung
nicht geeignet, die selbständige Stabilisierung des Fahrzeugs zu bewirken.
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Die Ausführungsform der Fig. 9 bis z i ist folgendermaßen ausgebildet:
Das Hauptruder i ist frei an seinem vorderen Drittel auf einem Tragrohr oder Steven
81 angele.nkt, der fest mit dem Rumpf 82 verbunden ist. Dies Ruder i wird von einem
Kasten mit Antriebsfläche 83 gebildet, der durch Rippen 8.1. mit einem Holz 85 verbunden
ist, welches die Gelenke eines Hilfsruders 5 trägt.
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Die Schwenkung des Hauptruders i auf dem Steven 81 erfolgt mittels
des Kugellagers 86 und des Gleitlagers 87. Der Steven 81 wird an seinem oberen Ende
durch einen Beschlag 88 gehalten, der an Seilen 89 festgemacht ist, die mit dem
festen Teil der waagerechten Leitfläche verbunden sind. An seinem unteren Ende ist
der Steven 81 durch einen Beschlag 9o gehalten, der durch Bolzen oder Nieten am
Tragwerk des Rumpfes befestigt ist.
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Ein einstellbarer Kugelgelen#kpunkt 9i ist durch eine Zug- oder Schubstange
92 mit einem Kugelgelenk 93 verbunden, das von einem Hebel 94 gehalten wird, der
durch Bolzen und Nieten an dem Hilfsruder 5 befestigt ist. Die Einstellung des Kugelgelenks
9i wird durch Drehung eines Ruderhebels 95 erzielt, der das Kugelgelenk 9i trägt
und mit einem Doppielbebel 96 fest verbunden ist. Dieser Hebel wird durch Seile
97 gesteuert, die bei 98 und 99 an dem Doppelhebel 96 befestigt sind und an ihren
anderen Enden zum Führerstand führen. Das Hauptruder i wird oben und unten durch
Ausgleichsflächen io#> und ioi abgeschlossen.