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Selbsttätige Rudersteuerung für Fahrzeuge, insbesondere Luftfahrzeuge
Die Erfindung bezieht sich auf selbsttätige Rudersteuerungen für Fahrzeuge, insbesondere
Luftfahrzeuge, bei denen einem durch ein die Abweichung des Fahrzeuges beispielsweise
von seiner Sollrichtung messendes Gerät gegebenen Befehl ein entsprechender Winkelbetrag
der Ruderverstellung zugeordnet wird. Diese Stellungszuordnung kann streng proportional
vorgenommen werden in der Weise, daß einem bestimmten Impulswert stets ein und derselbe
Ruderwinkel entspricht. Die Zuordnung kann indes nach einem bekannten Vorschlag
mit veränderlicher Proportionalität erfolgen, wobei der Proportionalitätsfaktor
von der Fahrt abhängig gemacht ist. Bei dieser Zuordnung entsprechen einem bestimmten
Steuerimpuls je nach der Größe der Fahrt verschieden große Ruderwinkel.
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Die von dem Rudermotor zur Verstellung des Ruders aufzubringenden
Momente sind dem Auslenkwinkel und dem Staudruck verhältig: Bei hoher Fahrt sind
die Momente bei gleichem .Winkel höher als bei kleiner Fahrt. Die Laufgeschwindigkeit,
mit der das Ruder verstellt wird, ist, bedingt durch die mit Rücksicht auf die Auslegung
der Steuerung getroffene Dimensionierung der Antriebsmittel, begrenzt. Um die Energie
des Arbeitsmittels voll auszunutzen, werden bei kleiner Fahrt höhere Verstellgeschwindigkeiten
des
Ruders zugelassen als bei hoher Fahrt. Die energetischen Verhältnisse
machen es infolgedessen vorteilhaft, die Ruderleggeschwindigkeit bei der Steuerung
zu beeinflussen. Gemäß der Erfindung geschieht dies durch in Abhängigkeit von der
Fahrzeuggeschwindigkeit einstellbare, die Triebmittelzufuhr zum Rudermotor verändernde
Regelmittel im Sinne von mit wachsender Fahrzeuggeschwindigkeit abnehmender Verstellgeschwindigkeit
des Ruders: Bei einer selbsttätigen Rudersteuerung, bei welcher das Ruder proportional
den Ausschlägen von die Abweichung des Fahrzeuges von seiner Sollrichtung messenden
Geräten ausgelenkt wird und der Proportionalitätsfaktor zwischen den Ausschlägen
dieser Geräte und den Ruderausschlägen der Fahr-.zeuggeschwindigkeit entsprechend
im Sinne der Erzielung einer gleichmäßigen Steuerwirkung über den ganzen Geschwindigkeitsbereich
änderbar ist, sind gemäß weiterer Erfindung zusätzlich und unabhängig von der Änderung
des Proportionalitätsfaktors in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit einstellbare
Regelmittel zur Beeinflussung der T riebmittelzufuhr zum Rudermotor vorgesehen.
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Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung an Hand der in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt Fig. i eine
selbsttätige Seitenrudersteuerung mit elektrischer Rückführung, Fig. 2 eine selbsttätige
Seitenrudersteuerung mit hydraulischer Rückführvorrichtung. Bei der Seitenrudersteuerung
gemäß Fig. i ist als Richtgeber ein Magnetkompaß i vorgesehen, der beispielsweise
von Hand gemäß der Angabe eines Kurszeigers 2 über eine biegsame Welle 3 einstellbar
bzw. ferneinstellbar ist.
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Als Richtwertempfänger dient in an sich bekannter Weise ein Drehmagnet
.1. Der Anker 5 weist einen Schaltarm 6 auf. Der Ständer des Drehmagneten trägt
eine Feldwicklung 7, S. Der Anker enthält eine Wicklung g, io, die mit den Gegenkontakten
des Richtgebers i verbunden ist. Der Schaltarm 6 ist mit der Kolbenstange i i eines
Doppelkolbenschiebers 12 gelenkig verbunden. Der Schaltarm 6 und mit ihm der Doppelkolbenschieber
1-2 ist in seiner Nullage durch die beiden Federn 13, 14 gefesselt. Das den Doppelkolbenschieber
12 enthaltende Schaltorgan 15 steuert den Zu- und Abfluß des Arbeitsmittels, welches
beispielsweise Druckluft oder Drucköl sein kann, zum und vom Arbeitsmotor, der in
an sich bekannter Weise in einem livdraulisclien Zvlindermotor i( mit Arbeitskolben
17 besteht. Die Kolbenstange i8 ist mit der zu betätigenden Steuerfläche, also beispielsweise
mit dem Seitenruder, verbunden.
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Zur Rückführung des Schaltorgans dient eine elektrische Rückführvorrichtung,
die im wesentlichen in einer Brückenschaltung besteht, deren Brückenzweige im vorliegenden
Ausführungsbeispiel durch Ohinsche Widerstände 19, 2o bzw. 21, 22 gebildet werden.
Mit der Kolbenstange 23 des Arbeitskolbens ist ein Schleifkontakt 24 fest verbunden,
der auf den Widerständen ig und 2o der beiden benachbarten Brückenzweige gleiten
kann. Im Diagonalpunkt der beiden anderen Brückenzweige ist ein Kontakt 25 angeordnet,
der zunächst als feststehend gedacht sein kann. Die über die beiden Kontakte 2.4
und 25 gebildete Brücke dieser Brückenschaltung enthält eine auf dem Tauchkörper
6 zusätzlich angeordnete Wicklung 26. Die Brückenschaltung wird gespeist durch eine
Stromquelle 27.
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Die Wirkungsweise der bisher beschriebenen Anordnung ist folgende:
Der hei einer Kursabweichung des Fahrzeuges durch den Richtgeber i gelieferte Stromimpuls
in der Wicklung 9, 1o veranlaßt eine Betätigung des Schaltorgans, so daß der Arbeitskolben
einen Arbeitshub ausführt. Durch die Auswanderung des Arbeitskolbens erfolgt eine
Verstimmung der Brückenschaltung, so daß in der Wicklung 26 ein Stromimpuls zustande
kommt, der dem Auslaufweg des Arbeitskolbens entspricht und dem vom Richtgeber i
gelieferten Stromimpuls entgegengesetzt ist. Auf diese Weise wird mit Hilfe des
Drehinagnetatikers 5 eine Rückführung des Schaltorgans entsprechend dem Auslaufweg
des Arbeitskolbens herbeigeführt.
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Um das tatsächlich erforderliche Rückstellmoment für die Rückbewegung
des Fahrzeuges in seinen Sollkurs zu berücksichtigen, ist eine Meßeinrichtung für
den Staudruck vorgesehen, die der Einfachheit halber in der Zeichnung als Metnbrandosenstaudruckmesser
28 dargestellt ist. In der Metnbrandose wirkt auf der einen Seite der Membran 29
der herrschende Staudruck, während auf der anderen Seite eine Feder tnit einstellbarer
Federvorspannung vorgesehen sein kann. Mit der 'Membran 29 ist ein Lenker
30 fest verbunden, der an einem Kontaktarm 31 angelenkt ist. Ein mit diesem
Kontaktarm 31 verbundener Schleifkontakt 32 kann auf einem als I-'otentiometer dienenden
Widerstand 33 schleifen, durch welchen die Stromquelle 27 geschlossen ist. Die Speisung
der Brückenschaltung erfolgt hierbei über den Potentiometerwiderstand 33, wodurch
erreicht wird, lall die an die Brückenschaltung angelegte Spannung in Abhängigkeit
von der Meß-°inrichtung für den Staudruck geändert wird.
Dadurch
wird die Rückführung in der Weise beeinflußt, daß bei großem Staudruck die an die
Brückenschaltung angelegte Spannung entsprechend größer und somit auch der die Rückführung
des Schaltorgans bewirkende Stromimpuls entsprechend größer ist, während umgekehrt
bei geringem Staudruck die an die Brückenschaltung angelegte Spannung entsprechend
kleiner und damit auch der zur Rückführung des Schaltorgans dienende Stromimpuls
entsprechend kleiner ist. Auf diese Weise ist erreicht, daß bei einer bestimmten
Kursabweichung der Ruderausschlag jeweils der Größe des durch den Staudruck bedingten
tatsächlich erforderlichen Rückstellmomentes angepaßt ist.
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Mit dem Lenker 3o des Staüdruckmeßgerätes ist gleichzeitig ein weiterer
Kontaktarm 3,4 verbunden, der einen Schleifkontakt 35 besitzt, welcher auf einem
Vorwiderstand 36 schleifen kann. über diesen Vorwiderstand 36 ist eine Stromquelle
37, die selbstverständlich die gleiche Stromquelle wie bei 27 sein kann, mit der
zur Erzeugung des magnetischen Feldes in dem Drehmagnet dienenden Wicklung 7, 8
verbunden. Durch diese Regelvorrichtung wird erreicht, daß das Feld des Drehmagneten
in Abhängigkeit vom Staudruck regelbar ist. Das bedeutet, daß beispielsweise bei
großem Staudruck das Feld entsprechend geschwächt wird, während es umgekehrt bei
geringem Staudruck entsprechend verstärkt wird. Infolgedessen ist bei großem Staudruck
die Steuerenergie für das Schaltorgan entsprechend kleiner und bei geringem Staudruck
entsprechend größer, so daß auf diese Weise die Verstellgeschwindigkeit für das
Schaltorgan inAbhängigkeit vom Staudruck in entsprechender Weise geregelt wird.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel dient wiederum
als Richtgeber ein Magnetkompaß i, der gemäß der Angabe eines Kurszeigers :2 über
eine biegsame Welle 3 einstellbar ist. Der von diesem Richtgeber gelieferte Stromimpuls
wird der Wicklung 5 eines Drehmagneten 6 zugeführt. Mit dem Rahmen 7 dieses Drehmagneten
ist ein Schaltarm 8 verbunden, der mit Hilfe zweier Federn 9 und io in seiner Nullage
gefesselt ist. Der Schaltarm 8 arbeitet über ein Gestänge i i, 12 auf die Kolbenstange
13 eines Doppelkolbenschiebers 1q., der den Arbeitsmittelzu- und -abfluß
zum und vom Zylinder eines hydraulischen Arbeitsmotors 15 steuert.
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Mit 16 ist eine hydraulische Druckmeßeinrichtung bezeichnet, bei welcher
ein durch Federn in seiner Nullage gefesselter Kolben 17
unter der Einwirkung
des Druckmittels steht. Die Druckmeßeinrichtung 16 ist zu diesem Zweck in Differentialschaltung
an die Zylinderräume zu beiden Seiten des Arbeitskolbens des Hilfsmotors angeschlossen.
Durch diese Meßeinrichtung wird also die zur Verstellung des Ruders erforderliche
Kraft gemessen, die gleichzeitig ein Maß für das zur Rückbewegung des Fahrzeuges
tatsächlich erforderliche Rückstellmoment liefert. Durch diese Meßeinrichtung wird
der' Grad der Rückführung wiederum in der Weise beeinflußt, daß dem jeweils erforderlichen
Rückstellmoment entsprechende Ausschläge des Seitenruders herbeigeführt werden.
Der Kolben 17 dieser Meßeinrichtung ist über ein Isostatglied 18, welches die Nachgiebigkeit
der Rückführung bewirkt, an die Stange 12 und über diese an die Kolbenstange 13
angelenkt.
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Während beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. i die Änderung der Verstellgeschwindigkeit
des Ruders in Abhängigkeit von der Staudruckmeßeinrichtung steht, wird sie beim
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 in Abhängigkeit vom Ruderausschlag herbeigeführt.
Zu diesem Zweck ist an dem Hebelarm 2o, der um den ortsfesten Zapfen 21 des gestrichelt
angedeuteten Ruders i9 drehbar ist, ein mit zwei Zapfen 22, 23 versehener Doppelhebel
2.4 befestigt. Mit dem Doppelhebel ist ein gabelförmiger Hebel 25 mittels zweier
die Zapfen 22, 23 umgreifender Schlitze 26, 27 in einseitiger Kupplung kraftschlüssig
gekuppelt. Der Gabelhebel 25 ist in einer Führungsbahn 28 längs verschieblich
gelagert. Mit seinem freien Ende ist er gelenkig mit einem um einem Zapfen 29 drehbaren
Kontaktarm 30 verbunden, der an seinem freien Ende einen Schleifkontakt 31 aufweist.
Der Schleifkontakt 3 1 arbeitet mit einem Vorwiderstand 32 zusammen, der
in Reihe mit einer aus einer Stromquelle 33 gespeisten Wicklung 34. eines-Drehmagneten
35 liegt. Mit dem Rahmen 36 des Drehmagneten ist ein mittels einer Feder 37 an seine
Nullage gefesselter Verstellarm 38 verbunden, der auf das Verstellorgan 39 eines
Druckregelventils .Io für das Druckmittel arbeitet: Der Druck des Druckmittels,
das aus der Leitung 41 über die Leitung 42 zum Schaltorgan und durch dieses zum
Arbeitsmotor 15 strömt, ist mit Hilfe der einstellbaren Ventilfeder 43 regelbar.
Der Kraftsch.luß für die .Kupplung des Gabelhebels 25 mit dem Doppelhebel 2q. erfolgt
mittels eines dauernd laufenden Motors, z. B. eines Elektromotors 5o, der mittels
eines Schneckengetriebes 49, 48 über eine Rutschkupplung 47, 46 auf den Kontaktarm
30 arbeitet, mit dem er über die Kegelräder .I5, 44 in der Weise in Antriebsverbindung
steht, daß er den Kontaktarm über die Rutschkupplung dauernd in seine Nullage zurückzudrehen
versucht.
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Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist
folgende: Der
von dem Richtgeber 1 gelieferte Steuerimpuls wird dem Drehmagneten 6 zugeleitet,
der das Schaltorgan für den Hilfsmotor betätigt. Der Arbeitsleolben des Hilfsmotors
läuft aus entsprechend dem zur Rückbewegung des Fahrzeuges erforderlichen Rückstellmoment.
Durch die Auslaufbewegung des Arbeitskolbens wird, unabhängig davon, nach welcher
Seite der Arbeitskolben ausläuft, der Gabelhebel 25 jeweils in der gleichen Richtung
verstellt, und zwar entsprechend dem Auslaufweg des Arbeitskolbens, d. h. also entsprechend
dem Ausschlag des Ruders. Diesem Ausschlag entsprechend wird dann auch der Kontaktarm
3o bewegt, dessen Kontakt 31 auf dem Vorwiderstand 32 der Ruderauslenkung entsprechend
verstellt wird. Es ergibt sich also beim Drehmagneten 35 ein Drehmoment für den
Einstellarm 38, das dem Auslaufweg des Arbeitskolbens und damit dem Ruderausschlag
entspricht. Dieses Drehinoment des Drehmagneten 35 bewirkt ein Zusammendrücken der
Feder .I3 und dadurch eine Druckerhöhung des Arbeitsmitteldruckes, die dem Ruderausschlag
proportional ist. Auf diese Weise ist erreicht, daß der Arbeitskolben, dessen Arbeitshub
dem für die Rückbewegung des Fahrzeuges in seinen Sollkurs erforderlichen Rückstellmoment
angepaßt ist, infolge der Erhöhung des Arbeitsmitteldruckes durch die beschriebene
Regelvorrichtung mit der Größe des Ruderausschlages entsprechend erhöhter Verstellgeschwindigkeit
j auswandert. Umgekehrt ist bei kleinen Ruderausschlägen der Arbeitsmitteldruck
und dementsprechend auch die Ruderleggeschwindigkeit entsprechend geringer. Dadurch
ist erreicht, daß sich für die Ruderauslenkung in Abhängigkeit von verschiedenen
Fahrgeschwindiziseiten bei gleichem Fehlkurs im wesentlichen angenähert gleiche
Ruderlegzeiten erg--ben.
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Um den Kontaktarm 30 jederzeit in seine Nullage zurückzuführen, ist
mit dem Kontaktarm 30 ein Kegelräderpaar 44, 45 verbunden, das über eine
Reibungskupplung 4.6, 4.7 mit Hilfe eines Schneckengetriebes .48, ,49 von einm durchlaufenden
Elektromotor 5o angetrieben ist.
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Die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. -2 vorgesehene Regelvorrichtung
zur Änderung der Verstellg, schwindigkeit des Ruders kann ohne weiteres an Stelle
des Staudruckmeßgerätes beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 mit dem Drehmagneten..l
in Arbeitsverbindung gebracht werden. In diesem Fall wird das Feld des Drehmagneten
in direkter Abhängigkeit vom Ruderausschlag entsprechend geschwächt oder verstärkt.
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Andererseits kann das beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 vorgesehene
Staudruckmeßgerät mit der Regelvorrichtung zur Änderung der Ruderleggeschwindigkeit,
die beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2 vorgesehen ist, zusammenarbeiten, so daß
beispielsweise t der Druck des Arbeitsmittels für den hydraulischen Servomotor in
direkter Abhängigkeit vom Staudruck, also indirekt in Abhängigkeit vom Ruderausschlag,
mit Hilfe des Druckeinstellventils geregelt wird. Nur diese Möglichkeit, aber nicht
Fig. 2 an sich gehört zum Gegenstand der Erfindung.
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Eine weitere Möglichkeit ist die, die beim Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 2 vorgesehene hydraulische bzw. pneumatische Druckmeßeinrichtung 16, 17 an
Stelle des Staudruckmeßgerätes 28 beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 anzuordnen
und den Grad der hier vorgesehenen elektrischen Rückführvorrichtung im Sinne derAnpassung
des Ruderausschlages an das tatsächlich erforderliche Rückstellmoment zu beeinflussen.
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Die elektrische Rückführung gemäß Fig. 1 kann auch nachgiebig gestaltet
sein. Zu diesem Zweck kann der Kontaktarm 15 beweglich angeordnet und beispielsweise
mit einem Nachlaufwerk verbunden sein, wobei letzteres in Abhängigkeit von den Bewegungsvorgängen
des bzw. der Richtgeber oder in Abhängigkeit von den Bewegungsvorgängen des Hilfsmotors
gebracht sein kann.
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Abweichungen von den dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen
sind im Rahmen der Erfindung ohne weiteres möglich. Statt eines einzigen Richtgebers
können auch zwei oder mehrere vorgesehen sein, die beispielsweise auf ein gemeinsames
Resultatglied arbeiten. Ferner kann statt des hydraulischen bzw. pneumatischen Hilfsmotors
ein beliebiger anderer, z. B. ein elektrischer Hilfsmotor mit entsprechenden Schaltorganen
vorgesehen sein.