DE1124745B - Integrierendes Beschleunigungsmessgeraet - Google Patents

Description

INTERNAT.KL. G Ol P

DEUTSCHES

PATENTAMT

M43340IXb/42o

ANMELDETAG: 10. NOVEMBER 1959

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT:

1. MÄRZ 1962

Die Erfindung bezieht sich auf einen integrierenden Beschleunigungsmesser und bezweckt, eine gedrängte Baueinheit zum Integrieren der Beschleunigung zu schaffen, um damit die Geschwindigkeit und den zurückgelegten Weg eines den Beschleunigungsmesser tragenden Fahrzeuges zu messen.

Es ist ein Beschleunigungsgerät bekannt, das zum Messen einer mit unterschiedlicher Drehzahl angetriebenen Arbeitsmaschine, ζ. Β. einer Fördereinrichtung, vorgesehen ist. Sie besteht aus einer mit der Fördermaschine gekuppelten Welle mit zwei gegenläufigen Steilgewinden an den Enden, auf denen je eine als Schwungmasse wirkende Mutter angeordnet ist. Über je einen Lagerring, der sich bei auftretender Beschleunigung oder Verzögerung zusammen mit den Muttern axial bewegt, ist ein Hebelgestänge mit einer Anzeigevorrichtung verbunden, die, gegen Rückstellfedern arbeitend, die Werte der Beschleunigung anzeigt oder aufschreibt. Nachteilig bei dieser Ausführung ist die sehr starke Reibungskraft, die in den einzelnen Lagerstellen des Hebelgestänges auftritt und die Genauigkeit der Anzeige einschränkt.

Es ist eine weitere Beschleunigungsmeßvorrichtung bekannt, bei der an Stelle einer mechanischen Hebeleinrichtung die Lageänderung der Meßmasse auf elektromagnetischem Wege abgetastet wird. In einem äußeren Gehäuse ist ein inneres Gehäuse drehbar gelagert, in dem auf einer Welle der Rotor eines Motors sowie ein Schwungrad untergebracht sind. Das innere Gehäuse ist mit einer Unwucht versehen. Beim Auftreten einer Beschleunigung quer zur Drehachse verdrehen sich die beiden Gehäuse relativ zueinander. Zwischen beiden ist eine elektromagnetische Abtastung vorgesehen, die aus einer am inneren Gehäuse befestigten Spule besteht, die im Luftspalt eines am äußeren Gehäuse befestigten magnetischen Kreises bewegt wird. Die Spule ist mit Wechselstrom gespeist, und ist mit ihrem Ausgang über einen Verstärker mit dem Ständer des Motors verbunden. Der Rotor wird dann entsprechend der Auslenkung der Spule aus der Ruhelage zur Erzeugung eines Reaktionsmomentes beschleunigt. Um ein Signal oder eine Anzeige proportional zur Auslenkung des inneren Gehäuses zu erzielen, ist auf der Rotorwelle ein weiterer Rotor angeordnet, der in einer am inneren Gehäuse angeordneten Ständerwicklung bewegt werden kann. Die Erregerwicklung des zweiten Rotors ist an die gemeinsame Stromquelle angeschlossen, während die Ausgangsspannung des Ankers dieses sogenannten Stellungsgebers als Steuer- oder Anzeigesignal benutzt werden kann.
Die Erfindung bezweckt, einen noch einfacheren Integrierendes Beschleunigungsmeßgerät

Anmelder:
Maxson Electronics Corporation,

New York, RY. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. W. Schalk, Dipl.-Ing. P. Wirth,

Dipl.-Ing. G. E. M. Dannenberg

und Dr. V. Schmied-Kowarzik, Patentanwälte,

Frankfurt/M., Große Eschenheimer Str. 39

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 10. November 1958 (Nr. 773 026)

Michael Bracutt, East Orange, N. J. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

und billigeren Beschleunigungsmesser zu schaffen, dessen untere Grenze der Empfindlichkeit für Beschleunigung in der Größenordnung von 10~²g (g = 9,81 m/s²) liegt.

Die Erfindung besteht darin, daß bei einem integrierenden Bescheunigungsmeßgerät ein von einem Motor drehend angetriebenes erstes Gewindeglied an einem auf oder in ihm frei relativ beweglich gelagertem und unter der Einwirkung von Beschleunigungskräften stehendem zweiten Gewindeglied als Schraubenspindel bzw. als Spindelmutter mit geringer Reibung bzw. mit geringem Verlust angreift und daß die durch den Motorantrieb erzielte Verschiebung des ersten Gewindegliedes der durch lineare Beschleunigung oder Verzögerung erzeugten Relativverschiebung beider Gewindeglieder gegeneinander entspricht, die ihrerseits ein Maß für diese Beschleunigung oder Verzögerung ist, und daß mit dem ersten Gewindeglied gekuppelte Meßorgane dessen Drehbewegung messen.

Der Grenzwert der Empfindlichkeit eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers ist abhängig von der statischen Reibung des für Beschleunigungen empfindlichen Gliedes. Die statische Reibung kann so klein gehalten werden, daß sich eine Empfindlichkeit von 10~²g ergibt. Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann dies durch Kugellager mit kleinem Reibungsmoment und von hoher Präzision erreicht werden. Die genannte statische Reibung ist eigentlich die Rollreibung zwischen der Kugel und der die Kugel aufnehmenden Nut.

209 517/115

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben, und zwar zeigt

Fig. 1 schematisch die Anordnung für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine Stirnansicht einer auf Beschleunigung ansprechenden trägen Gewindemutter, die mittels Kugellagern auf einen Gewindeschaft gelagert ist,

Fig. 3 eine Seitenansicht der in Fig. 2 dargestellten Mutter und des Gewindeschaftes, teilweise im Schnitt,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5, 6 und 7 eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 eine der Fig. 1 ähnliche schematische Dar- *5 stellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 9 einen Schnitt durch einen Beschleunigungsmesser nach Fig. 8 und

Fig. 10 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Motor 10, der eine Welle 11 auf-

schiebung des Gewindeschaftes sind je ein Maß für die Geschwindigkeit bzw. den zurückgelegten Weg des Fahrzeuges. Deshalb kann eine geeignete Vorrichtung 27 zum Messen der Winkelgeschwindigkeit und der relativen Winkelbewegung, wie z.B. ein mit Schraubenbewegung arbeitendes Potentiometer, mit der Welle 11 zur Messung von Geschwindigkeit und Weg fest verbunden werden. Vorrichtungen zur Messung der Geschwindigkeit und der Winkel-

o bewegung einer sich drehenden Welle gehören zum Stand der Technik.

Fehler werden auf ein Mindestmaß beschränkt, wenn die folgenden Bedingungen eingehalten werden:

A. geringe statische Reibung zwischen Gewindemutter und Gewindeschaft;

B. geringe Rollreibung zwischen Mutter und Gewindeschaft und in den Wellenlagerungen des Motors;

C. eine große Leistungsausnutzung des Systems zur Verringerung der Einwirkung der Rollreibungen;

D. eine Abtastvorrichtung mit geringstmöglichem Spaltabstand.

g g

weist, von der ein Teil mit einem reibungsarmen Gewinde 12 versehen ist. Auf dem Gewinde 12 ist eine

auf Beschleunigungen ansprechende Masse in Form ²5 und Gewindeschaft ist ein kritischer Faktor, da er einer Gewindemutter 14 gelagert, während eine Ab- die Grenzempfindlichkeit beeinflußt. Es ist deshalb

Die statische Reibung zwischen Gewindemutter

tastvorrichtung oder ein Fühler 16 der Gewindemutter 14 benachbart angeordnet ist. Die Abtastvorrichtung 16 besitzt einen Magnetkern 17, der mit geeigneten Polschuhen versehen sein kann und z.B. 3<> E-förmig ausgebildet sein kann. Eine abgeglichene bzw. symmetrische Wicklung 18 mit einer mittleren Anzapfung 19 ist auf dem Kern 17 angeordnet. Die Wicklung 18 ist über Leitungen 21, 22 und 23 mit

wichtig, ein Zusammenwirken zwischen Mutter und Gewindeschaft mit geringstmöglicher statischer Reibung zu schaffen.

Eine solche Vorrichtung ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt und besitzt Kugellager mit geringem Reibungsmoment und von hoher Präzision. Die Mutter 30, die der Mutter 14 der Fig. 1 entspricht, ist auf einer Welle 31 gelagert. Welle und Mutter sind mit

einem Verstärker 25 verbunden. Der Ausgang des 35 schraubenlinienförmig verlaufenden Nuten oder RoIl-Verstärkers 25 ist mit dem Motor 10 verbunden. bahnen 32, 33 und 34 versehen, und in den Nuten Wenn die Vorrichtung in einem Fahrzeug ein- laufen Kugeln 35. In jeder Nut können sich zwei gebaut ist, verursacht die Beschleunigung des Fahr- Kugeln befinden. Ein Käfig oder andere Mittel zum zeuges eine Drehbewegung der Mutter 14, die sich Halten der Kugeln ist nicht erforderlich, da die axiale dann aus der Gleichgewichtslage heraus bewegt. Die 40 Bewegung begrenzt ist und jedes auftretende Wandern Abtastvorrichtung 16 spricht auf eine lineare Be- normalerweise nicht genügt, die Kugeln innerhalb wegung bzw. Verschiebung der Mutter an, wodurch eines begrenzten Zeitraumes aus ihrer Lage, in der sie ein der Größe dieser Verlagerung proportionales an der Mutter und dem Gewindeschaft angreifen, Signal erzeugt wird. Es ist ersichtlich, daß die Be- herauszubewegen. Jedoch kann gewünschtenfalls auch wegung der Mutter 14 die Induktivität der beiden 45 ein Kugelkäfig vorgesehen sein.
Hälften der Wicklung 18 und den magnetischen Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung eine Aus-Widerstand der Kraftlinien durch die Spule ungleich führungsform der Erfindung, bei der kein rückführen- bzw. entgegengesetzt verändert. Diese Änderungen der oder rüekkoppelnder Verstärker erforderlich ist. können auf verschiedene bekannte Weisen zur Ein- Ein fortlaufend, vorzugsweise gleichmäßig laufender speisung eines Signals in einen Verstärker dienen. 50 Motor 40 treibt eine Welle 41 an, die über Zahnräder Zum Beispiel werden durch die beiden Hälften der 42 und 43 permanentmagnetische Rotoren 45 und 46 Spule 18 geleitete, oszillierende Ströme entsprechend in entgegengesetzten Drehrichtungen antreibt. Joche der Bewegung der Mutter 14 ungleich bzw. entgegen- 47 und 48 sind den magnetischen Rotoren 45 und 46 gesetzt verändert. Das von dem Verstärker 25 aus- gegenüberliegend angeordnet. Die Joche 47 und 48 gehende Signal treibt den Motor entweder in der 55 können mit den permanenten Magneten umlaufen einen oder der anderen Drehrichtung mit einer und können in beliebiger Weise ausgebildet sein, so solchen Geschwindigkeit an, daß die Mutter in ihre daß ein starkes magnetisches Feld in den Spalten zwi-(bzw. eine) Gleichgewichtslage (zurück-) gebracht sehen den Magneten und den Jochen entsteht. Eine wird. Die Drehrichtung des Gewindeschaftes 12 ist Welle 50 ist innerhalb der Rotoren 45 und 46 drehbar die gleiche wie die der Mutter 14 infolge der Be- 60 gelagert. Die Welle 50 ist mit Keilnuten 51 und 52 schleunigung erteilte. Wenn die Beschleunigung auf- und einem Schraubengewindeteil 53 versehen. Eine hört, drehen sich Mutter und Gewindeschaft zu- der Mutter 14 der Fig. 1 entsprechende Mutter 55 mit sammen mit gleicher konstanter Drehgeschwindigkeit. träger Masse ist auf dem Gewkideteil 53 gelagert. Die Es ergibt sich bei Vorhandensein einer Beschleuni- Mutter 55 ist mit Lagern 57 und 58 versehen. Ein gung der Mutter eine Relativgeschwindigkeit zwischen 65 Paar von Mitnehmerglocken 60 und 61 sind auf den Mutter und dem Gewindeschaft, die praktisch pro- genuteten Bereichen 51 und 52 der Welle 50 derart portional zur Änderung der Beschleunigung ist. Die gelagert, daß die Glocken axial auf der Welle 50 verWinkelgeschwindigkeit und die relative Winkelver- schiebbar, jedoch zwangläufig zusammen mit dieser

drehbar sind. Die Welle 50 kann mit einem Abtriebszahnrad 62 zum Antrieb einer geeigneten Vorrichtung 64 zum Messen von Geschwindigkeit und Weg versehen sein, die ein mit Schraubenbewegung arbeitendes Potentiometer sein kann.

Tritt eine Beschleunigung oder Verzögerung auf, so wird die Mutter 55 in der einen oder der anderen Richtung gedreht und bewegt sich in axialer Richtung derart, daß die Mitnehmerglocke 60 oder 61 tiefer in

ristik sein kann. Die Arbeitsweise des Beschleunigungsmessers nach Fig. 5 bis 7 ist aus der Beschreibung der Arbeitsweise eines Beschleunigungsmessers nach Fig. 1 bis 4 ersichtlich. Im Gegensatz zu den 5 Fig. 1 bis 4 wird hier nicht die Mutter, sondern das Gewindestück 73 durch die Trägheitskraft bewegt. Die Feder 76 mit einer Federkraft von 1 g = 9,81 m/sec² kompensiert die Schwerkraft. Die Feder nimmt auch die kleinen axialen Bewegungen der Scheibe auf, was

den Spalt zwischen dem einen der permanentmagne- io jedoch nur zu einer kleinen unbedeutenden Änderung tischen Rotoren und dem zugeordneten Joch hinein- der Federkonstante führt. Die relative Winkelbewegt wird. Diese Mitnehmerglocke wird dann mit bewegung zwischen der Mutter und dem Gewindeeiner größeren Geschwindigkeit als die andere (even- stück, die von einer Beschleunigung hervorgerufen tuell zusammen mit ihr zunächst noch ruhende) ge- wird, bringt die Spulenteile 84 und 85 aus ihrem dreht und dreht dabei die Welle 50 und das Schrau- 15 Gleichgewicht und speist ein Signal über die Zuleitunbengewinde 53 in einer solchen Richtung, daß die gen 88 in einen Verstärker ein, dessen Ausgang mit Mutter 55 in eine Gleichgewichtslage kommt. Diese dem Motor — in gleicher Weise wie in Fig. 1 — ver-Drehung der Welle 50 setzt sich so lange fort, bis bunden ist. So wird die Drehgeschwindigkeit und die irgendeine Änderung in der Beschleunigung der Drehrichtung des Motors der Beschleunigung entMasse 53 bzw. damit der Geschwindigkeit der Welle 20 sprechend gesteuert. Mutter und Schraubengewinde 50 auftritt. Das Zahnrad 62 wird während dieser kufen dann zusammen mit der gleichen Geschwindigganzen Zeit bis zum Eintreten dieser Änderung ent- keit um, bis eine Änderung der Beschleunigung der sprechend schnell mitgedreht. Die Drehgeschwindig- Masse auftritt, woraufhin sich die Drehgeschwindigkeit bzw. die Zahl der Umdrehungen der Welle 50 keit der Mutter 72 jeweils in der gleichen Richtung entspricht der Geschwindigkeit bzw. dem zurück- 25 ändert, in der die Geschwindigkeitsänderung des Gegelegten Weg des Fahrzeuges, in dem der Beschleuni- windestückes eintritt, wodurch ein Gleichgewicht gungsmesser eingebaut ist. Als Vorrichtung 64 zur wiederhergestellt wird. Wenn der Beschleunigungs-Messung von Geschwindigkeit und Weg kann ein ge- messer in einem Fahrzeug eingebaut ist, so entspricht eignetes Meßgerät verwendet werden, das die Dreh- der zurückgelegte Weg (auch in lotrechter Richtung) geschwindigkeit und die Anzahl der Umdrehungen 30 der Ausgangsspannung oder dem Widerstand des mißt. Potentiometers.

Die Fig. 5 bis 7 zeigen eine weitere Ausführungs- Der Beschleunigungsmesser nach Fig. 8 ist ähnlich form der Erfindung, der das gleiche Schaltschema wie dem nach Fig. 1, jedoch besteht das auf Beschleuni-Fig. 1 zugrunde liegt und die so aufgebaut ist, daß sie gungen ansprechende Element aus einem Schwungrad auf Beschleunigungen in entgegengesetzten Richtun- 35 113, das auf einer Welle 111 angeordnet ist. Das gen anspricht. In dem Beschleunigungsmesser nach Ende der Welle 111 ist mit einem Schraubengewinde Fig. 5 bis 7 ist die träge Masse keine Mutter, sondern 112 von geringer Reibung versehen, auf dem eine ein reibungsarmes Gewindestück, während die Mutter Mutter 114 frei bewegbar gelagert ist. Das andere mit dem Motor verbunden ist. Auf der Welle eines Ende der Welle 111 ist als Magnetkern 115 ausMotors 70 ist ein Tachometer 71 angeordnet, der als 40 gebildet, der einer Abtastvorrichtung 116 gegenüber Dämpfungs- oder Reibungsglied für viskose Reibung angeordnet ist. Die Vorrichtung 116 kann die gleiche zur Stabilisierung des Arbeitsvorganges dient. Eine
Mutter 72 ist einstückig mit dem Rotor des Motors
verbunden. Innerhalb der Mutter 72 ist ein Gewindestück 73 gelagert, das über eine Kugellagerung mit 45 125 verbunden ist, dessen Ausgang einen Motor 110 geringer Reibung, wie in Fig. 2 gezeigt, mit der Mutter antreibt. Der Motor 110 dreht die Mutter 114. gekuppelt ist. Eine als träge Masse dienende Scheibe Die Arbeitsweise des Beschleunigungsmessers nach 75 ist mit dem Gewindestück 73 verbunden und dreht Fig. 8 ist im wesentlichen die gleiche, wie die nach sich zusammen mit diesem. Eine Torsionsfeder 76, Fig. 1, und seine Arbeitsweise ist an Hand der Bedie eine Kraft von lg — 9,81 m/sec² ausübt, ist an 50 Schreibung der Fig. 1 verständlich. Die Beschleuniihrem inneren Ende mit einem Bund 77 der Scheibe gung des Fahrzeuges, in dem der Beschleunigungs-75 und an ihrem anderen Ende mit einem Feder- messer eingebaut ist, bewirkt, daß sich das Gewindezapfen 78 verbunden. Der Zapfen 78 greift durch stück 112 und das Schwungrad 113 drehen und axial einen bogenförmigen Schlitz 79 der Scheibe 75 und aus ihrer Gleichgewichtslage heraus bewegt werden, längs diesem bewegbar hindurch. Eine Abtastvorrich- 55 Die lineare Verschiebung von Gewindestück und tung 80 ist mit Polen 81, 82 und 83 und einer der Welle wird von der Vorrichtung 116 abgetastet, die Abtastung dienenden Spule versehen, die Vorzugs- ein der Verschiebung proportionales Signal erzeugt, weise zwei gleiche Teile 84 und 85 aufweist. Die Dieses Signal wird in den Verstärker 125 eingespeist, Scheibe 75 ist mit einem Joch 86 versehen. Es ist er- und das verstärkte Signal des Verstärkers treibt den sichtlich, daß die Abtastvorrichtung 80 bis 86 der 60 Motor derart an, daß die Welle 111 in eine Gleich-Abtastvorrichtung 16 der Fig. 1 äquivalent ist. Die gewichtslage zurückkehrt. Die Nachlaufbewegung der Ableitungen der Spule 84 und 85 sind über Schleif- Mutter erfolgt in der gleichen Richtung, in der auch ringe an die Klemmen von Leitern 88 angeschlossen. der Gewindeteil umläuft. Hört die Beschleunigung Die Motorwelle 90 ist in Kugellagern 91 und 92 ge- auf, so laufen Mutter und Gewindeteil zusammen mit lagert und über ein Zahnradgetriebe 93 und ein Ge- 65 konstanter Geschwindigkeit um. Eine Verschiebung triebe 94 mit einer geeigneten Abnahmevorrichtung relativ zwischen Mutter und dem Gewindeteil ist proverbunden, die ein mit Schraubenbewegung arbeiten- portional der Beschleunigung. Infolgedessen ist die des Präzisionspotentiometer 95 mit linearer Charakte- Relativgeschwindigkeit zwischen ihnen proportional

sein wie die Vorrichtung 16 der Fig. 1 und enthält einen Kern 117 und eine Wicklung 118, die über Leitungen 121 und 122 und 123 mit einem Verstärker

der Größe der Änderung der Beschleunigung. Die Verlagerung der Schraube kann durch einen Verstärker mit großem Verstärkungsgrad klein gehalten werden. Die Drehbewegung der Gewindemutter kann dazu dienen, Mittel zur Messung des von dem Fahrzeug zurückgelegten Weges anzutreiben.

Die bei dem Beschleunigungsmesser nach Fig. 8 vorliegenden Verhältnisse sind an Hand der folgenden mathematischen Analyse erläutert:

Zur Herleitung des Maßstabsfaktors zwischen der

aufgebrachten Beschleunigung und der Winkelver-Schiebung der Mutter kann die Lagrangesche Gleichung in der folgenden Form angewandt werden:

Wirkung der Reibung wird später eingeführt werden. Die Anwendung der Gleichung (1) ergibt als Bewegungsgleichungen für das System:

(Ms + I_SC²)X_S + I_sC0_n — M_sa — F_nsX, (4)

lg\sX + U_n -J- Is)K)_n = -K-n-X-g—ΓηΚ>η· ι Jj

^{v J}

Die vollständige Lösung der simultanen Gleichungen kann mit HiKe der Laplaceschen Transformation gefunden werden. Von Interesse ist hier die sogenannte Empfindlichkeit im stationären Zustand (steady state response), da diese den Maßstabsfaktor zwischen der aufgebrachten Beschleunigung und der Verlagerung der Mutter ergibt. Es kann gezeigt wer- ^^en' ⁰^ ^^{ese von} ^^er ^§^end^en Formel ist:

in der Γ die gesamte kinetische Energie des Systems, q_s eine allgemeine Koordinate und Q_s eine Kraft darstellt.

Wenn Θs — Winkelverschiebung des Gewindestückes, 6>„ = Winkelverschiebung der Mutter, X_s = lineare Verschiebung des Gewindeteile^ r = TeiUcreisradms (pitch radius) des Ge- _a5

windes,
α = Steigungswinkel (pitch angle) des Ge-

^id

M_s

F_nsF_n

Die Wirkung der Coulombschen Reibung zwischen futter und Schraubengewinde ist im allgemeinen Fall schwer herleitbar. Jedoch ist im Falle einer kon_{stanten Beschleunigung und eines im} QrenzfaUe gedämpften Systems (critically damped system) die Einwirkung der Reibung folgende:

dann ist
Z_s
oder

C
wobei

^ns

(2) K_n

Ύ- [f\^a - ⁿ JJ V

W\^dtdt-^Ms>

= O₆- Θ_η,

~ ^^te^S^unS^s'^constailte ■

35

40

⁴⁵

Die gesamte kinetische Energie des Systems ist durch folgende Gleichung gegeben:

s'nWn -T-S¹SUs τ 2^Ms*s . wobei / und M Trägheit bzw. Masse bezeichnen.

Durch Eliminieren von <9_S durch Verwendung der ersten Ableitung der Gleichung (2) ergibt sich:

t-i<7 4-τ\Δ₂<ί(Μ 4- τ rz\ir 2 j_ τ rn i — 2 Us + I_n) W_n + 2 Ws + h^yJi-s +^ÖA·

(3)

Gleichung (1) kann nun angewendet werden, wenn man X_s und O_n als zugeordnete allgemeine Koordinaten ansieht. Die entsprechenden Kräfte sind:

Qn — ^Kn%s—Fn@_n

a= die aufgebrachte Beschleunigung, F_ns — ein Reibungswiderstandsbeiwert (viscous drag coefficient) zwischen Mutter und Gewindeschaft

K_n = eine Konstante für die Drehmomentenausnutzung (torque gain) zwischen Verstärker und Motor

F_n= der Reibungswiderstand (viscous drag) aes Motors.

Es ist zu beachten, daß kerne Coulombsche Reibung berücksichtigt wurde, da die Lagrangeschen Gleichungen nur auf Systeme mit idealen Kraft- bzw. Grenzbedingungen (constraints) anwendbar sind. Die Aus diesem Grunde ergibt die Reibung einen Mindestgrenzwert, unterhalb dessen die Vorrichtung nicht anspricht. Coulombsche Reibung zwischen der Mutter und ihrer Lagerung geht nur während eines Zustandes einer Null betragenden Beschleunigung ein. Für konstaute Fahrzeuggeschwindigkeit müssen Mutter und Schraubengewinde zusammen als ein fester Körper umlaufen, ohne daß in den Motor eine Eingangsleistung bzw. Zusatzleistung (input) eingespeist wird. Die Reibung zwischen der Mutter und ihren Lagern versucht, die Mutter relativ zu dem Schraubengewinde _{m verzögernj und macht eine} korrigierende Eingangsleistung für den Motor erforderlich. Bei einer Null be^tra§^enden Reibung zwischen der Mutter und dem Schraubengewinde würde das System eine ideale Geschwindigkeitswiedergabe besitzen, jedoch tritt infolge der Reibung eine allmähliche Abweichung von einem Umlauf mit konstanter Geschwindigkeit auf.

Die maximale Geschwindigkeit des Fahrzeuges be-

stimmt die maximale: Drehgeschwindigkeit des Motors. _{h 6 b h}

rtgoc

55

F_nsF_y K_n

I_SC

wobei k_s = der Radius der Drehbewegung (gyration)

_fi des Schraubengewindestückes

_Ά ^Di^e Empfin^ichkeit der Vorrichtung jst vor allem durch die Reibung des Fuhrungsgewindes begrenzt. Eme Durchrechnung der Anordnung hat gezeigt, daß _{ein Kugeln} tragendes Führungsgewinde bis minde_{stens m} Beschleunigungen von 10~²^ zufriedenstellend arbeitet. Ein schwebend bzw. schwimmend gelagerter Rotor würde in einer Flüssigkeit mit Temperaturregelung eine Empfindlichkeit bis zu 10~⁴g besitzen. Die Vorrichtung ist am besten für solche

9 10

Anwendungszwecke geeignet, in denen die Beschleu- sind. Demzufolge ist das Schraubengewinde um eine nigungen klein, jedoch die zu messenden Weglängen der Beschleunigung proportionale Verlagerungsstelgroß sind. In diesen Anwendungsfällen ist eine prä- lung herum pendelnd dauernd in geringer Bewegung, zise Kompensation der Einwirkung der Schwerkraft Die Vorrichtung arbeitet infolgedessen bei einer unerläßlich. 5 Grenzreibung, die kleiner ist als die wirkliche stati-

Die Charakteristik der Vorrichtung beim Herab- sehe Reibung.

setzen der veränderlichen Reibung des Motors kann In Fig. 10 ist ein Beschleunigungsmesser dargestellt,

ohne Bezugnahme auf die obige Analyse erläutert in welchem Mutter und Schraubengewinde des oben werden. Angenommen sei ein stationärer Zustand beschriebenen Ausführungsbeispiels durch eine makonstanter Geschwindigkeit und eine Null betragende io gnetische Schraube ohne metallische Berührung erReibung zwischen Mutter und Schraubengewinde. Da setzt ist, so daß die statische Reibung ausgeschaltet die Reibung die Schraube nicht verzögert, bleibt ihr ist. Ein Gehäuse 130 ist mit einem Anschluß 131 zur Moment konstant. Deshalb bewirkt jede Änderung Verbindung mit einer Kraftquelle und mit einer Kamder Drehgeschwindigkeit des Motors eine lineare Ver- mer 133 zur Aufnahme des Verstärkers und anderer Schiebung bzw. Verlagerung des Schraubengewinde- 15 zugehöriger Teile versehen. Innerhalb des Hauptteiles Stücks und diese wiederum ein kompensierendes Feh- des Gehäuses 130 befindet sich ein luftdicht geschloslersignal, das die Drehgeschwindigkeit des Motors zur senes Gehäuse 138, das in Lagern 134 und 135 ge-Angleichung an die Drehgeschwindigkeit des Schrau- lagert ist. Das Gehäuse ist vorzugsweise mit einer bengewindestückes entsprechend ändert. Bei dem ölfüllung 136 gefüllt. Ein Stator 137 eines Elektrotheoretisch möglichen Fall, daß F_ns = Null, d. h. die 20 motors ist mit dem drehbaren Gehäuse 138 und ein Dämpfungsverminderung bzw. die Drehmomentaus- Rotor 139 ist mit einer Welle 143 fest verbunden, nutzung (gain), unendlich (infite) ist, würde die Eine zweite Welle 142 wird von dem Rotor über ein Motorgeschwindigkeit konstant bleiben. Zahnradgetriebe 140 in einer derjenigen der Welle

Fig. 9 zeigt die bauliche Anordnung der Teile der 143 entgegengesetzten Drehrichtung angetrieben. Eine Ausführungsform nach Fig. 8. Der Motor 110 ist in 25 zylindrische Masse 141 ist die auf Beschleunigungen einem Gehäuse 101 angeordnet, und der Rotor des messend ansprechende Masse. Das spezifische Gewicht Motors ist mit der Mutter 114 fest verbunden. Die (density) des Massenkörpers 141 ist größer als das des Mutter 114 ist in dem Gehäuse 101 in Lagern 102 schmierenden Mediums 136, und er wird von der und 103 und auf dem Gewmdestück 112 durch rei- hydrodynamischen Führung getragen, die von den bungsarme Lager 104 gelagert. Eine Welle 108 ist mit 30 beiden mit geringer Geschwindigkeit entgegengesetzt der Mutter 114 fest verbunden. Das Schwungrad 113 umlaufenden Wellen 142 und 143 gebildet wird. Die wirkt als auf Beschleunigungen ansprechendes Organ. so gebildeten hydrodynamischen Lagerungen halten Es ist erwünscht, daß die Masse des Schwungrades die Oberflächen des Zylinders 141 und der Wellen 113 solche Abmessungen besitzt, daß sich ein großer 142 und 143 dauernd durch das Schmier- und Füll-Radius ihrer Umlaufbewegung (gyration) und ein 35 medium getrennt. Da bei dieser Lagerung statische kleiner Teilkreisradius (pitch radius) ergibt, damit Reibung ausgeschaltet ist, bewirkt die geringste Bedie Höchstgeschwindigkeit des Motors auf eine er- schleunigung, daß der Schwimmkörper 141 sich in rechnete Geschwindigkeit bregrenzt wird, die einer Achsrichtung bewegt. Die entgegengesetzt zueinander Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeuges entspricht. Das umlaufenden Wellen 142 und 143 erteilen der Masse freie Ende des Gewindestückes 112 ist als Magnetkern 40 141 in der Größe gleiche und in der Richtung ent- 115 ausgebildet, der mit einer Abtastvorrichtung 116 gegengesetzte viskose Reibungsdrehmomente über das zusammenarbeitet, die schematisch in Fig. 8 darge- Füllmedium, ohne daß der schwimmenden Masse 141 stellt ist. Die sich drehenden Teile eines Tachometers eine resultierende Drehbewegung erteilt wird. 109 sind vorzugsweise mit der Mutter 114 fest ver- An dem Gehäuse 138 ist eine Hülse 146 aus Weichbunden. Der Tachometer ist dem Tachometer 71 in 45 eisen mit Schraubengängen 145 befestigt, während Fig. 6 ähnlich und erfüllt die gleiche Aufgabe. Das in der zylindrische Schwimmkörper 141 mit einem zwei-Fig. 9 linke Ende der Welle 108 kann mit einer geeig- poligen permanenten Magnet 144 versehen ist, dessen neten Meßvorrichtung, z. B. einem Präzisionspoten- Pole um 180° gegeneinander versetzt sind und die auf tiometer, verbunden sein, das vorzugsweise eine line- die zwei Schraubengänge 145 ausgerichtet sind. Die are Charakteristik aufweist und schraubenlinienförmig 50 Pole des Magneten 144 müssen sich deshalb entlang ausgebildet ist bzw. arbeitet. Der Zweck des Tacho- den Gängen 145 bewegen, da bei einer solchen Bewemeters besteht hauptsächlich darin, die Servowick- gung keine Änderung des magnetischen Widerstaades lung (servo loop) zu stabilisieren, kann jedoch auch eintritt; sie setzen jedoch einer Bewegung quer zur dazu dienen, die Fahrzeuggeschwindigkeit anzuzeigen. Richtung der Gänge 145 einen Widerstand entgegen. Die Zahl der Umdrehungen der Welle 108 gibt den 55 Eine Änderung der magnetischen Kraft hat keinen von dem Fahrzeug zurückgelegten Weg wieder. Ein Einfluß auf das Arbeiten der Vorrichtung, solange die Zahnradvorgelege kann angeschlossen werden, das Haltekraft in dieser Querrichtung groß genug ist, um die Geschwindigkeit der Abtriebswelle relativ zu der der maximal zu erwartenden linearen Beschleunigung Motorwelle verringert. entgegenzuwirken.

Eine Relativbewegung zwischen dem Motor und 60 Wie in den vorgenannten Ausführungsbeispielen ist dem Schraubengewinde erfolgt theoretisch nur bei auch hier ein Nachlaufmotor 152 vorgesehen, der, von einer Änderung der Beschleunigung. Um die statische dem Ausgang des Verstärkers angetrieben, das GeReibung zu überwinden und eine Bewegung des häuse 138 und die Weicheisenhüise 146 in der Dreh-Schraubengewindes auszulösen, ist eine bestimmte richtung der Masse 141 antreibt. Auch ist, wie in den Mindestbeschleunigung erforderlich. Beim Arbeiten 65 vorgenannten Ausführungsbeispielen, ein Tachometer ist der Beschleunigungsmesser jedoch kleinen Schwin- 153 zur Stabilisierung des Servoantriebssystems vorgungen ausgesetzt, die durch Vibrieren und unvoll- gesehen. Das Ende des Gehäuses 138 kann durch eine ständige Wirkung des Servoausgleichs hervorgerufen geeignete Schraubkappe 155 und Dehnungsbälge 156

verschlossen sein. Innerhalb des Gehäuses 138 ist eine Abtastvorrichtung 154 angeordnet, die der Abtastvorrichtung 116 der Fig. 8 entspricht und die ihre Ausgangsleistung in den Verstärker einspeist. Ein Magnetkern 157 ist mit dem Ende des Schwimmkörpers 141 verbunden und arbeitet mit der Abtastvorrichtung zusammen. In dem Gehäuse 130 kann eine Heizvorrichtung 159 vorgesehen sein, die die Teile und insbesondere das Füllmedium auf einer gewünschten Temperatur hält. Die Stromzuführung zu den Elementen innerhalb und auf dem Gehäuse 138 erfolgt mittels Schleifringen 160. Der Ausgang des Beschleunigungsmessers kann mit einem Potentiometer oder anderen geeigneten Anzeige- oder Meßvorrichtungen mittels der Abtriebswelle 161 verbunden sein. Die Arbeitsweise des Beschleunigungsmessers nach Fig. 10 ist aus den obigen Erläuterungen verständlich. Die zylindrische Masse 141 spricht auf lineare Beschleunigung an. Die Masse kann sich jedoch zwangläufig nur entlang einer schraubenlinienförmigen Bahn be- so wegen, und zwar infolge des Magneten 144 und der Gewindegänge 145 der Wecheisenhülse 146. So wirkt die Masse, wenn sie auf eine Beschleunigung anspricht, im Hinblick auf die Gänge 145 der magnetischen Mutter oder Hülle 146 wie eine Schraube. Somit bewegt sich der Magnetkern 157 relativ zu der Abtastvorrichtung 154 linear, und dadurch wird, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 und S erläutert, ein Signal in den Verstärker eingespeist, das den Motor 152 steuert. Dieser Motor treibt das Gehäuse 138 und die magnetische Mutter 145 derart an, daß die Gleichgewichtsbedingungen wiederhergestellt werden, und zwar in der gleichen Weise, wie dies in Verbindung mit Fig. 1 und 8 erläutert wurde.

Der Motor 137 ist vorzugsweise ein Induktionsmotor, der eine große Anzahl von Polen besitzt und somit mit niedriger Synchrongeschwindigkeit läuft. Ein Arbeiten unterhalb der Synchrongeschwindigkeit, d. h. von ungefähr 100 Umdrehungen pro Minute, kann dadurch erhalten werden, daß der Motor mit einem viskosen Reibungswiderstand in einem kleinen Spalt zwischen Stator und Rotor belastet wird. Dieser Motor soll nur eine gegenläufige Drehbewegung der Welle 142 und 143 bewirken, um damit für die Masse 141 ein schwimmendes Lager ohne viskosen Widerstand zu schaffen. Zwischen dem Zahnradgetriebe 140 und dem Teil des Gehäuses, der die Masse 141 umschließt, kann eine Trennwand 151 vorgesehen sein, um zu verhindern, daß die durch die Zahnräder und andere bewegte Teile verursachte Turbulenz des Füll-Öls das den Schwimmkörper 141 umgebende Öl beeinflußt.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, sind im Rahmen des Erfindungsgedankens viele abgeänderte Ausführungsarten möglich.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Integrierendes Beschleunigungsmeßgerät, da durch gekennzeichnet, daß ein von einem Motor (Nachlaufmotor 10, 40, 70, 110, 152) drehend angetriebenes erstes Gewindeglied (12, 31, 53, 73, 114, 145) an einem auf oder in ihm frei relativ beweglich gelagertem und unter der Einwirkung von Besohleunigungskräften stehendem zweiten Gewindeglied (14, 30, 55, 72, 112 und 113, 141 und 144) als Schraubenspindel bzw. als Spindelmutter mit geringer Reibung bzw. mit geringem Verlust angreift und daß die durch den Motorantrieb erzielte Verschiebung des ersten Gewindegliedes der durch lineare Beschleunigung oder Verzögerung erzeugten Relativverschiebung beider Gewindeglieder gegeneinander entspricht, die ihrerseits ein Maß für diese Beschleunigung oder Verzögerung ist, und daß mit dem ersten Gewindeglied gekuppelte Meßorgane (27, 64, 71, 95) dessen Drehbewegung messen.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gewindeglied von einem Elektromotor (Nachlaufmotor 10, 40, 70, 110, 152) angetrieben wird und eine auf die Lage des zweiten Gewindegliedes (14, 30, 55, 72, 112,113, 141 und 144) ansprechende Abtast- bzw. Übertragungsvorrichtung (16, 80,116) mit dem Eingang einer Verstärker- oder Nachlaufvorrichtung (25 bzw. 60, 61 bzw. 86 bzw. 125), deren Ausgang eine die Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit des Motors steuernde Verbindung mit diesem besitzt, ihrerseits eine Verbindung besitzt, durch die die Ausgangsleistung der Verstärker- oder Nachlaufvorrichtung in Abhängigkeit von der Lage des zweiten Gewindegliedes gesteuert wird.

3. Meßgerät nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden einander als Gewindespindel (31 bzw. 112 usw.) und Spindelmutter (30 bzw. 114 usw.) zugeordneten Gewindeglieder mit schraubenlinienförmig verlaufenden Nuten (32 bis 34) versehen sind, die die Gewindeglieder aneinanderlagemde Kugeln (35) aufnehmen.

4. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse der Spindelmutter (14, 55 usw.) oder die Masse des als Gewindespindel (12, 53 usw.) arbeitenden Gewindegliedes, die ihre Lage zum anderen Gewindeglied nach Maßgabe der zu messenden Beschleunigung verändernde träge Masse verkörpert und von dem Motor (10, 40, 110 usw.) zu den von ihm anzutreibenden Gewindeglied (z. B. 12, 53, 114) eine Verbindung (z. B. 11, 60 und 61,112) geht, durch die auf dieses eine Drehbewegung bzw. Beschleunigung übertragen wird, die der relativen Lageänderung des anderen Gewindegliedes (z. B. 14, 55, 114) entspricht, wie sie durch eine auf das die trage Masse verkörpernde — vorzugsweise dieses andere — Gewindeglied beschleunigende oder verzögernde Kraft verursacht wird, und daß das vom Motor angetriebene Gewindeglied, vorzugsweise eine Spindel (12, 53, 108, 161), mit einem Gerät (27, 64, 95) gekuppelt ist, das das Integral der Geschwindigkeitsänderung des anderen Gewindegliedes mißt.

5. Meßgeräte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich fortlaufend, vorzugsweise mit gleichbleibender Geschwindigkeit drehender Elektromotor (40) über eine Welle (41) zwei Dauermagnete bildende Rotoren (45, 47 und 46,48) zueinander gegenläufig um eine zweiis^ durch diese Rotoren frei hindurchgehende Wille (50) herum antreibt, die mit dem einen Gewindeglied (53) gekuppelt bzw. über einen Längsbereich (bei 53) als Gewindespindel ausgebildet «ist, auf dessen bzw. deren Gewindeteil das andere, eine träge Masse verkörpernde Gewindeglied (55) als reibungsarm angreifende Spindelmutter axial längsverschiebbar und drehbar gelagert ist, und daß diese Spindelmutter (55) mit zwei Mitnehmer-

glocken (60, 61) verbunden ist und je eine dieser Glocken bei seinen durch Geschwindigkeitsänderungen der trägen Masse bedingten axialen Längsverschiebungen zu dem einen (45, 47 oder 46,48) der beiden magnetischen Rotoren hin bzw. die andere von dem anderen (46, 48 oder 45, 47) der Rotoren weg mitnimmt, wobei die Mitnehmerglocken mit der zweiten Welle (50) auf Drehung und axial längsverschiebbar (bei 51, 52) so verbunden sind, daß diese Welle, je nachdem, ob und wie weit die Längsverschiebung der Glocken in der einen oder entgegengesetzten Richtung erfolgt, in der einen oder entgegengesetzten Drehrichtung mitgenommen wird.

6. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (70 bzw. 110) das erste, als Spindelmutter (72 bzw. 114) ausgebildete Gewindeglied und von diesem aus das zweite Gewindeglied (73 bzw. 112) als reibungsarm angreifende Spindel antreibt, wobei die Abtast- oder Übertragungsvorrichtung (80 bis 86 bzw. 116) nach Maßgabe der Stellung dieses zweiten Gewindegliedes (73 bzw. 112) zum ersten (72 bzw. 114) erregt wird, und dementsprechend über einen mit ihr (bei 88) verbundenem Verstärker (125) die Drehbewegung des mit diesem verbundenen Motors (70 bzw. 110) steuert und daß das erste Gewindeglied (72 bzw. 114) mit Organen (95), vorzugsweise ein schraubenförmig arbeitendes Potentiometer, zum Messen seiner Winkelgeschwindigkeit und seines Winkelweges verbunden ist.

7. Meßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindelmutter (72) und die in ihr liegende Gewindespindel (73) mit lotrechter Achse gelagert sind und eine zum Ausgleich für die Schwerkraft dienende Feder (76) mit 1 g (=9,81m/sec²) Kraft eine Verbindung der Gewindespindel mit der Spindelmutter herstellt.

8. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein in einem äußeren Gehäuse (130) drehbares, vorzugsweise zylindrisches zweites Gehäuse (138) eine Drehlagerung für einen axial verschiebbaren Massenkörper (141) bildet, der einen Magneten (144) trägt, der hülsenartig von einem magnetischen, ihm gegenüberliegenden, mit dem zweiten Gehäuse (138) verbundenen Schraubengang (145) umfaßt wird, wobei die Abtast- bzw. Übertragungsvorrichtung (154) elektrische Signale nach Maßgabe der axialen Verschiebung des Massenkörpers erzeugt, die dem zweiten Gehäuse (138) eine entsprechende Drehbewegung erteilen, durch die es ins Gleichgewicht gebracht wird und die auf die Organe zum Messen der Beschleunigung (bei 161) übertragen wird.

9. Meßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem äußeren Gehäuse (130) drehbare Gehäuse (138) mit einem Schmiermittel (136) ganz oder vorwiegend gefüllt ist und im Innern eine Lagerung für zwei sich gegenläufig drehend antreibbare Wellen (139 und 142) bildet, auf denen wiederum der zylindrische, auf Beschleunigungen ansprechende Massenkörper (141) drehbar und axial verschiebbar gelagert ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 335 922;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 023 257.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

® 209 517/115 2.62