Gyroskopické přístroje

K měření některých pohybových veličin se při zkouškách ovladatelnosti používají gyroskopické přístroje. Úhel natočení podélné osy vozidla vzhledem k pevné souřadné ose (tzn. úhel stáčení) lze měřit směrovým setrvačníkem. Stabilizovaná plošina umožňuje měřit vodorovná zrychlení vozidla (podélné a příčné). Kompletní (tříosé) stabilizované plošiny umožňují souběžné měření úhlu stáčení, úhlové rychlosti stáčení, úhlu klopení, úhlu klonění a zrychlení těžiště vozidla ve třech směrech. Analogovými obvody je možno vypočítat rychlosti (příčnou, podélnou, klopivou a klonivou) nebo dráhy (podélnou, příčnou).

7.1.1 Směrový setrvačník

K měření okamžité polohy mezi podélnou osou vozidla a pevnou souřadnou osou, která je dána úhlem stáčení ε , a k měření úhlové rychlosti vozidla kolem jeho svislé osy slouží směrový setrvačník. Schéma směrového setrvačníku je na obr.7.1.

vnější rám

libela

akční člen (motor) potenciometr

akční člen (motor) oběžbná osa setrvačníku vnitřní rám

Obr. 7.1 Schéma směrového setrvačníku [1]

Pro udržení pevného směru jízdy slouží polohový setrvačník se třemi stupni volnosti, oběžná osa je v nulové poloze vodorovná. Setrvačníkový rotor je kardanovým způsobem zavěšen k vnějšímu rámu a k vnitřnímu rámu. Oběžná osa setrvačníku je natáčena vyrovnávacím systémem kolem osy otáčení vnitřního rámu

směru. Po vypnutí vyrovnávacího systému udržuje oběžná osa vztažný směr nezávisle na pohybech vozidla.

Zdánlivé přemostění setrvačníku, které by mohlo při dalších měřeních vzniknout následkem zemské rotace, je zamezeno vestavěným vodícím systémem. Vodící systém je uspořádán podle zeměpisné šířky místa, ve kterém je směrový setrvačník používán.

Vyrovnávací systém je tvořen dvěma samostatnými regulačními obvody pro vnější rám a pro vnitřní rám. Každý regulační obvod má snímač polohy (měřící člen), regulátor a zdroj točivého momentu (akční člen). Obě regulace mají dvoupolohové vlastnosti s regulací, tzn. každý z obou akčních členů je přepólován, jakmile signál příslušného snímače polohy překročí hysterézní oblast.

Na vnitřním rámu je připevněna elektrolytická libela (trubková), která má funkci snímače polohy. Zdroj točivého momentu pro vnitřní rám je pevně na skříni setrvačníku a přenáší moment na vnější rám. Následkem tohoto momentu vykonává vnitřní rám precesní pohyb, který trvá po dobu působení vstupního momentu.

Jako snímač polohy pro vnější rám slouží potenciometr. Zdroj točivého momentu pro vnější rám je uložen na vnějším rámu a přenáší moment na vnitřní rám. Tento moment vyvolává precesní pohyb vnějšího rámu, který trvá tak dlouho, jak působí vstupní moment.

Pro snímání úhlu stáčení vozidla je použit potenciometr, který slouží také jako snímač polohy pro vnější rám. Odporový prvek potenciometru tvoří uzavřený prstenec (vodivý plast), který je napájen dvěma proti sobě ležícími vývody napětím

±9 V. Potenciometr má dva jezdce S1 a S2, které jsou vzájemně přesazeny o 90°(obr.7.2). Odporový prvek je pevně připojen ke skříni přístroje, zatímco jezdci jsou připevněny ke hřídeli vnějšího rámu, ke kterému také připevněn stupňový kotouč viditelný zvenčí na víku přístroje. Přepínačem může být na výstupu úhlu stáčení sepnut jezdec S1 nebo S2.

Průběh úhlového signálu (napětí) v závislosti na úhlu stáčení vozidla je znázorněn na obr. 7.2 (vytažená čára – signál od S1; čárkovaná čára – signál od S2).

Na výstupu z přístroje je navíc také obdélníkové napětí, které umožňuje při vyhodnocování záznamu jednoznačně určit, zda se vozidlo stáčelo vlevo nebo vpravo.

Signál úhlu stáčení je paralelně k výstupu úhlu stáčení přiváděn ještě do derivačního obvodu, který vypočítá úhlovou rychlost stáčení a tento proporcionální signál předá na výstup úhlové rychlosti stáčení. [1]

uspořádání jezdců

Obr. 7.2 Průběh úhlového signálu (napětí U) v závislosti na úhlu stáčení [1]

7.1.2 Stabilizovaná plošina

Stabilizovaná plošina slouží k měření vodorovného zrychlení a úhlu natočení vozidla. Podle její polohy ve vozidle lze tedy měřit buď vodorovné příčné zrychlení a úhel klopení, nebo vodorovné podélné zrychlení (zpoždění) a úhel klonění. Schéma stabilizované plošiny je na obr. 7.3.

Ke znázornění vodorovné vztažné roviny slouží svislý setrvačník. Je to polohový setrvačník se třemi stupni volnosti, jehož oběžné osa je v nulové poloze svislá. Osa vnitřního rámu leží příčně k tomuto směru. Před začátkem měření musí být oběžná osa setrvačníku nastavena svisle, tzn. velmi přesně ve směru tíhového zrychlení.

K tomu slouží vyrovnávací systém. Vyrovnávací systém je tvořen dvěma samostatnými regulačními obvody pro vnější rám a pro vnitřní rám. Každý regulační obvod má snímač polohy (měřící člen), regulátor a zdroj točivého momentu (akční člen). Obě regulace mají dvoupolohové vlastnosti s regulací, tzn. každý z obou akčních členů je přepólován, jakmile signál příslušného snímače polohy překročí hysterézní oblast.

Na vnitřním rámu stabilizované plošiny je připevněna elektrolytická libela. Akční člen pro vnitřní rám je upevněn na skříni přístroje a přenáší moment na vnější rám.

Tím vnitřní rám vykonává precesní pohyb (pokud je v vchodu motor natáčející vnitřní rám).

Na vnějším rámu je jako snímač polohy snímač zrychlení. Akční člen pro vnější rám je uložen na vnějším rámu a přenáší moment na vnitřní rám. Následkem tohoto momentu vzniká precesní pohyb vnějšího rámu (pokud působí vstupní moment).

snímač zrychlení potenciometr

akční člen (motor)

oběžná osa

setrvačníku vnitřní rám

akční člen (motor)

vnější rám libela

Obr. 7.3 Schéma stabilizované plošiny [1]

Oba snímače polohy se octnou v nulové poloze tehdy, když jejich osa citlivosti je kolmá ke směru vektorového součtu působících zrychlení. Tzn., že oběžná osa setrvačníku je vyrovnávacím systémem natočena do svislého směru jen tehdy, když žádná složka zrychlení ležící ve vodorovné rovině nemá účinek. Vyrovnávací systém musí být tedy vypnut, jestliže na vozidlo působí zrychlení ve vodorovné rovině (podélné nebo příčné). Při vypnutém vyrovnávacím systému zachovává oběžná osa setrvačníku svoji polohu, nezávisle na translačním nebo rotačním pohybu vozidla.

Následkem zemské rotace se však oběžná osa vychyluje ze své svislé polohy.

Pro krátké časy (několik minut) se oběžná osa značně vychyluje na západ, zatímco její vychýlení na sever je prakticky nulové. Pro vnější rám to znamená: leží-li jeho osa přibližně ve směru sever-jih, pak se rám znatelně naklání. Leží-li jeho osa naproti tomu ve směru západ-východ, je jeho naklánění prakticky nulové.

Snímač zrychlení je upevněn ve vnějším rámu svislého setrvačníku, slouží jednak jako snímač polohy v uložení vnějšího rámu a dále jako snímač hodnot vodorovného zrychlení. Osa citlivosti snímače zrychlení je rovnoběžná a osou otáčení vnitřního rámu. Snímány jsou zásadně ty složky zrychlení, popř. výslednice z více zrychlení v různých směrech, které leží v ose citlivosti. Je-li oběžná osa setrvačníku svislá, tak je osa citlivosti snímače zrychlení stále vodorovná, nezávisle na náklonech skříně stabilizované plošiny, kolem osy, která je rovnoběžná s osou vnitřního rámu a kolem osy, která je rovnoběžná s osou otáčení vnějšího rámu. [1]