DE1238680B - Kreisel - Google Patents

Description

DEUTSCHES '//WWW* PATENTAMT AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 42 c-25/51

Nummer: 1 238 680

Aktenzeichen: A 44719IX b/42 c

Anmeldetag: 6. Dezember 1963

Auslegetag: 13. April 1967

Die Erfindung betrifft die Lagerung und den Antrieb eines Kreisels mit drei Freiheitsgraden.

Es ist bekannt, den Rotor eines Kreisels mit drei Freiheitsgraden kardanisch zu lagern und durch einen gehäusefest angeordneten Motor unter Mitdrehung der Kardanlagerung anzutreiben. Ein solcher Kreisel hat die Eigenschaft, einer Drehung des Gehäuses direkt zu folgen, und kann daher als zweiachsiger Wendegeschwindigkeitsmesser verwendet werden. Die Lagerelemente der Kardanlagerung bestehen aus Kugel- oder Zapfenlagern.

Die Präzessionsgeschwindigkeit eines solchen Kreisels ist hauptsächlich von der Reibung in den Lagerelementen der Kardanlagerung abhängig und läßt sich bei einem gegebenen Kreisel nicht verändern, insbesondere nicht verkleinern. Dies ist für den praktischen Einsatz von Nachteil.

Erfindungsgemäß wird dieser Nachteil dadurch beseitigt, daß die innere und/oder die äußere Kardanachse durch drehelastische Elemente gebildet wird.

Solche drehelastischen Elemente sind an sich bei nicht rotierenden kardanischen Lagerungen bekannt. Sie sollen dort das Auftreten von Reibungsmomenten vermeiden und gleichzeitig ein federndes Rückstellmoment erzeugen. Durch die erfindungsgemäße Verwendung solcher drehelastischer Elemente bei Kreiseln mit rotierender Kardanlagerung tritt zu den bekannten Eigenschaften dieser Elemente eine neue Wirkung, und zwar stellen die federnden Elemente und die Massen der Kardanlagerung ein schwingungsfähiges Gebilde dar, dessen auf den Rotor wirkendes und für die Präzessionsgeschwindigkeit maßgebendes Reaktionsmoment von der Drehzahl abhängig ist, so daß die Präzessionsgeschwindigkeit durch die Drehzahl beeinflußbar ist.

Insbesondere hat sich nun aber herausgestellt, daß man durch optimale Abstimmung zwischen der Drehzahl des Antriebsmotors und dem Rückstellmoment der drehelastischen Elemente auch ein fast vollständiges Verschwinden des Reaktionsmoments und damit eine Minimalisierung der Präzession erreichen kann, so daß der erfindungsgemäße Kreisel bei dieser speziellen Bemessung nunmehr in kleinen Schwenkbereichen auch als freier Kreisel verwendet werden kann.

An Hand der Zeichnungen werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kreisels;

F i g. 2 ist eine teilweise weggebrochen dargestellte perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausfüh-KreiseI

Anmelder:

American Bosch Arma Corporation,
Garden City, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. H. H. Willrath und

Dipl.-Ing. H. Roever, Patentanwälte,

Wiesbaden, Hildastr. 18

Als Erfinder benannt:

Edwin W. Howe, North Baldwin, Ν. Υ. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 10. Dezember 1962
(243 263),

vom 28. Juni 1963 (291546)

rungsform der als Kardanachsen verwendeten drehelastischen Elemente;

F i g. 3 ist ein Schnitt durch das Element nach F i g. 2 entlang der in diese Figur eingetragenen Linie 3-3 und zeigt das drehelastische Element in der Nullage;

3u F i g. 4 zeigt in ähnlicher Darstellung wie F i g. 3 das drehelastische Element im Fall einer Verdrehung;

Fig. 5a und 5b sind schematische Darstellungen von Betriebszuständen eines Kreisels der in Fig. 1 dargestellten Art, für eine bestimmte Bezugsstellung des Rotors und eine Rotorlage, die sich von der Bezugslage um eine viertel Umdrehung unterscheidet;

F i g. 6 ist eine graphische Darstellung, die zur Erläuterung der erfindungsgemäß erzielten Wirkung dient;

F i g. 7 und 8 sind teilweise geschnittene Ansichten, die die Anwendung der Erfindung auf zwei andere Kreiselbauarten zeigen.

Gemäß F i g. 1 wird der Kreiselrotor 10 von einem Motor 8 aus über eine gelagerte Welle 11 und ein Kardangelenk 12 angetrieben, das es gestattet, daß die Umlaufachse des Rotors 10 innerhalb eines breiten Bereichs bezüglich der Winkelstellung gegenüber der Drehachse der Welle 11 verschwenken kann. Zu dem Kardangelenk 12 gehört der Kardanring 13, der auf der Welle 11 mittels der zueinander koaxialen Schwenkelemente 14, 14^4 abgestützt ist und seiner-

709 549/96

seits über die ebenfalls zueinander koaxialen Schwenkelemente 15, 15 A den Rotor 10 trägt. Die Mittellinie der Schwenkelemente 14, 14,4 liegt natürlich senkrecht zur Mittellinie der Schwenkelemente 15, 15 Λ. Selbstverständlich können der Motor 8 und die Lager für die Welle 11 an einem gemeinsamen Tragrahmen befestigt sein, der beispielsweise von einem zu steuernden oder zu stabilisierenden Fahrzeug getragen wird.

Beim Antrieb der Welle 11 durch den Motor 8 ι dreht sich der Rotor 10 und ist bestrebt, in seiner Drehebene zu verbleiben, auch dann, wenn die Welle 11 in Winkelrichtung gegenüber der Rotordrehachse verschwenkt wird, beispielsweise durch eine Steuerbewegung des Fahrzeugs, in das der Krei- ι sei eingebaut ist. Abnahmevorrichtungen 16, 16 A, die an demselben Tragrahmen befestigt sind, an dem die Lager der Welle 11 ebenfalls befestigt sind, tasten jegliche relative Winkelverschiebung zwischen der Welle 11 und dem Kreiselrotor 10 um die Ach- ζ sen X-X' und Y-Y' ab. Je nach dem Verwendungszweck des Kreisels können diese Signale für eine ganze Anzahl von Zwecken herangezogen werden. Beispielsweise können diese Signale Servomotoren einschalten, um den Tragrahmen in einer Stellung zu as halten, in der die Drehachsen der Antriebswelle und des Kreiselrotors genau parallel sind, wie z. B. in einem Richtungsanzeiger, oder können zur Steuerung einer Flugzeug-Automatiksteuerung benutzt werden.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Schwenkelemente 14, 14 A, 15 und 15 A jeweils durch eine Federlagerung gebildet. Eine solche Lagerung ist in den Fig. 2 und 3 gezeigt und ist von bekannter Art, wie sie bereits früher für andere Zwecke verwendet worden ist. Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform dieser Federlagerung sind die gegenüberliegenden Enden eines Paares von rechteckigen Blattfedern 17, 18 z. B. durch Punktverschweißung oder Verlötung an den zylindrischen Außenflächen zweier einander gegenüberliegender, konzentrischer Zylindersegmente 19, 20 befestigt, wobei die Hauptebenen der Blattfedern über Kreuz und genau senkrecht zueinander liegen; die Achse der Kreuzung a-a liegt genau auf den Mitten der Federbreite und fällt mit der Symmetrieachse der Federn zusammen. Falls es zur Erhöhung der Festigkeit zweckmäßig ist, können die Enden der Federn in engen, flachen Schlitzen in den Stangen gelagert werden. Zur Erleichterung der Handhabung und Befestigung in dem Kreisel sind die Zylindersegmente 19 und 20 z. B. durch Verlötung an einem oberen zylindrischen Ring 21 und einem unteren zylindrischen Ring 22 befestigt. Der Ring 21 hat im Bereich seiner Befestigung an dem Segment 19 eine erhöhte Wandstärke, so daß zwischen diesen beiden Teilen Luft frei bleibt, und der Ring 22 hat in ähnlicher Weise im Bereich seiner Befestigung an dem Segment 20 eine erhöhte Wandstärke, so daß zwischen der Stange 20 und dem Ring 21 Luft frei bleibt.

Ein Ring 21 ist am einen Element des Kardangelenks, z. B. an der Welle 11, und der andere Ring 22 an dem anderen Element des Kardangelenks, also z. B. an dem Kardanring 13, befestigt. Diese Befestigung kann z. B. dadurch erfolgen, daß in den jeweiligen Teilen zylindrische Aussparungen vorgesehen werden, in die die zylindrischen Ringe der Schwenkelemente fest eingeschoben werden, wonach

sie in der Aussparung festgeschweißt oder festgelötet werden. Infolge dieser Konstruktion kann sich die Welle 11 um die Mittellinie durch die Schwenkelemente 14, 14 A gegenüber dem Kardanring 13 verdrehen, während letzteres sich um die Achse durch die Schwenkelemente 15, 15 Λ gegenüber dem Rotor 10 verdrehen kann, und zwar jeweils um einen beträchtlichen Winkel ohne Reibung und mit verhältnismäßig geringem Rückstellmoment. Die Blattfedern sind im übrigen in seitlicher und radialer Richtung gegenüber der Welle 11 beträchtlich steif und kräftig und deshalb durchaus in der Lage, einen verhältnismäßig schweren Rotor 10 zu tragen, ohne daß hierzu besondere Vorkehrungen, wie z. B. ein Flüssigkeitslager für den Rotor, erforderlich sind.

Die Anordnung ist so getroffen, daß die Federn in der Nullage entspannt sind. Im Betrieb erzeugt die Verformung der Federn 17, 18 eine geringfügige Bewegung der Kreuzungsachse a-a der Federn 17,18 in jedem Federzapfen, beispielsweise von der Stelle a zur Stelle d in F i g. 4, in der diese Bewegung übertrieben groß dargestellt ist. Um diese mögliche Federquelle in ihrer Wirkung zu verringern, sind vorzugsweise die Ebenen der Federn im Federzapfen 14 in Winkelrichtung verschoben gegenüber den Ebenen der Federn im Federzapfen 14A, so daß die Relativbewegung der Kreuzungsachsen der Federn im Zapfen 14 und im Zapfen 14 A bei Winkelverschiebung zwischen der Welle 11 und dem Kardanring 13 eine Rotationsbewegung, keine seitliche Bewegung, ist. Außerdem findet die Winkelverschiebung der Kreuzungsachse vorzugsweise in der Rotationsebene des Kardanringes 13 senkrecht hierzu statt, damit nicht unerwünschte Drehmomente über die Federzapfen 15, 15 A auf den Rotor 10 ausgeübt werden. Diese Winkelverschiebung innerhalb der Rotationsebene des Kardanringes 13 gewährleistet, daß die Lagerungsmitte sich im Betrieb nicht verschiebt. Jedoch sind die letztgenannten Effekte, die durch die Bewegung der Achse a-a hervorgerufen werden, verhältnismäßig gering, insbesondere bei kleinen Winkeln der Federverformung, und können in fast allen Anwendungsfällen der Erfindung vernachlässigt werden.

Die Blattfederzapfen können derart ausgebildet werden, daß sie nur ein sehr geringes Rückstellmoment ausüben, wobei dann auch das auf den Rotor wirkende Reaktionsmoment der mitrotierenden Kardanlagerung sehr klein ist. Im übrigen hat sich aber herausgestellt, daß gerade das Vorhandensein eines kleinen Rückstellmoments einen besonderen Vorteil bringt insofern, als dann, wenn die Welle 11 bei oder in Nähe einer bestimmten Drehzahl, die als die wirksame Resonanzdrehzahl bezeichnet wird, angetrieben wird, die auf den Rotor 10 ausgeübten Reaktionsmomente um eine Achse senkrecht zu seiner Umlaufachse kleiner werden, während die Präzessionsperiode des Kreisels größer wird, und zwar nennenswert größer als diejenige, die zu erwarten wäre, wenn die Antriebswelle gegenüber der Rotor-Umlaufachse in Winkelrichtung verschoben wird.

Eine Untersuchung dieses Phänomens hat zu der folgenden Erklärung geführt. Hierzu wird auf die Fig. 5a und 5b Bezug genommen, die den Rotor 10, den Kardanring 13, die antreibende Welle 11 und die Schwenkelemente 14, 14/4 und 15, 15 A in zwei Stellungen zeigen, die sich bei Verdrehung der Welle 11 und bei zur Welle 11 geneigtem Rotor 10 in zwei

um 90° voneinander entfernte Stellungen ergeben. Diese Schwenkelemente 14, 14 A und 15, 15 A haben eine geringe Federkonstante um die Lagerungsachsen, angedeutet durch die schematische Darstellung von Schraubenfedern in den Fig. 5a und 5b. Im statischen Zustand ist die Kopplung des Rotors

10 das Ergebnis der Federhemmung durch die inneren Schwenkelemente 14, IAA, wenn der Rotor in der Stellung nach F i g. 5 a ist, dargestellt durch die Feder 14', und das Ergebnis der Federhemmung an den äußeren Schwenkelementen 15, 15^1, wenn er in der Stellung nach F i g. 5 b ist, dargestellt durch die Federn 15'.

Es ist ersichtlich, daß dann, wenn die Mittellinie des Rotors 10 mit der Mittellinie der Antriebswelle

11 nicht fluchtet, wenn die Welle 11 verdreht wird, der Kardanring 13 eine Oszillationsbewegung um die Schwenkelemente 14, IAA und 15, 15^4 ausführen muß. Die Beschleunigung des oszillierenden Kardanringes gemeinsam mit der Trägheit des Kardanringes um drei Achsen führt zu der Erzeugung von Reaktionsdrehmomenten um die Lagerungsachsen. Diese Reaktionen werden erzeugt durch die Tragwelle 11 und den Kreiselrotor 10. Das Verhalten des Kreisels kann durch Betrachten der Tatsache erklärt werden, daß die gesamte Hemmung zwischen dem Kreisel und der rotierenden Welle aus zwei Wirkungen zusammengesetzt ist, und zwar erstens der Federhemmung der Schwenkelemente 14, 14 A und 15, 15 Λ und zweitens einem der Federwirkung entgegengesetzten Effekt infolge des oszillierenden Kardanringes. Die erste Wirkung ist konstant und hat die Folge, daß der Kreiselrotor in einer Richtung präzediert. Die zweite Wirkung hängt von der Trägheit des Kardanringes um drei zueinander senkrechte Achsen ab und wird größer mit dem Quadrat der Drehzahl und bewirkt eine Präzession des Kreiselrotors in der entgegengesetzten Richtung. Bei einer, und zwar einer einzigen Drehzahl ist der drehzahlabhängige, entgegen der Federwirkung gerichtete Effekt genau gleich und entgegengesetzt dem gleichbleibenden Federeffekt, so daß dann als Gesamtwert eine Hemmung Null auf den Kreisel ausgeübt wird. Die in dem Diagramm F i g. 6 dargestellte Abhängigkeit der Präzessionsperiode des Kreisels von seiner Drehzahl gleicht der Charakteristik eines mechanischen Resonanzsystems, und aus diesem Grund ist die Drehzahl für die maximale Präzessionsperiode als »wirksame Resonanzdrehzahl« bezeichnet worden. Unterhalb dieser kritischen Drehzahl überwiegt die Federhemmungswirkung, oberhalb dieser Drehzahl dagegen das durch die Trägheit bedingte Reaktionsdrehmoment, und dies führt ebenfalls zu einer wirksamen Versteifung des Systems.

Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel einer Ausfiihrungsform der Erfindung ist der Rotor 10 durch einen Ring aus rostfreiem Stahl gebildet, der einen Außendurchmesser von etwa 63,5 mm, eine Breite von etwa 25,4 mm, eine Mittelöffnung mit einem Durchmesser von etwa 25,4 mm und ein polares Trägheitsmoment von etwa 2420 gm/cm² hat. Der Kardanring 13 ist ein Ring aus rostfreiem Stahl mit einem Außendurchmesser von ungefähr 19,1 mm, einer Breite von etwa 12,7 mm und einer Mittelöffnung mit einem Durchmesser von etwa 11,1 mm. Die Welle 11 hat einen Durchmesser von ungefähr 9,5 mm. Jedes der Schwenkelemente 14, 14^1, 15, 15 A enthält einen Kreuz-Blattfederzapfen aus Stahl

mit einer äußeren Länge von etwa 6,4 mm und 4,0 mm im Außendurchmesser, mit einer wirksamen Federkonstante von ungefähr 3,9 g/mm pro Winkelgrad für jeden Zapfen, die bis herauf zu mindestens S 15° Verdreliungswinkel fast konstant ist.

Bei diesen besonderen Bemessungen der einzelnen Elemente wurde der Kreisel bei Drehzahlen von Null bis 8000 Umdr./Min. getestet. Bei Veränderung der Rotordrehzahl und Aufzeichnung der Präzessionsperiode des Kreisels für die verschiedenen Drehzahlen zeigte sich, daß bei etwa 3100 Umdr./Min. die Präzessionsperiode stark anstieg, wie die Kurve A in F i g. 6 zeigt, in der die Ordinaten die Präzessionsperiode in Sekunden und die Abszissen die Rotordrehzahl in 1000 Umdr./Min. darstellen. Bei der Drehzahl A' von ungefähr 3100 Umdr./Min. erhöht sich die Präzessionsperiode scharf auf etwa das Fünfzigfache desjenigen Wertes, den man auf der Grundlage der bekannten Federkonstanten der Federao schwenkzapfen erwarten könnte, und selbst bei 2600 und bei 3600 Umdr./Min. ist die Präzessionsperiode immer noch um ein Mehrfaches größer als bei Drehzahlen wie z.B. 1000 oder 8000 UmdrTMin., die weiter entfernt liegen von der wirksamen Resonanzdrehzahl von 3100 Umdr./Min. Durch Hinzufügung von Masse an dem Kardanring 13 wurde die wirksame Resonanzdrehzahl auf ungefähr 1500 Umdr./ Min. herabgesetzt, wie dies die Kurve B in F i g. 6 zeigt, wodurch die Abhängigkeit der wirksamen Resonanzdrehzahl von der Massenträgheit des Zwischenelements aufgezeigt wird.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch auf andere Formen von Kardangelenk-Kreiseln angewandt werden. Beispielsweise ist gemäß Fig. 7 der Zeichnung das treibende Teil des Kreisels der äußere Ring 30, und die Achse 31 der Kreiselräder 32 ist das innere Teil, während der Kardanring 33, der mit den beiden Schwenkelementen 34, 35 verbunden ist, physikalisch zwischen diesen beiden Teilen liegt. In diesem Fall kann der äußere Ring 30 mittels eines üblichen, darum herumliegenden Magnetantriebs angetrieben werden.

An dieser Stelle sollte darauf hingewiesen werden, daß selbst ein Kreisel mit mitrotierendem Kardangelenk mit »reibungsfreien« Lagern eine drehzahlabhängige Kopplung aufweist. Die Kopplung ist nur bei der Drehzahl Null ebenfalls Null und steigt im Quadrat der Drehzahl mit der Drehzahl an. Diese Versteifungswirkung trägt wahrscheinlich zu der bisherigen Unmöglichkeit der Entwicklung eines befriedigend arbeitenden Kreisels dieser Art bei. Dieser Mangel wird durch die ■ vorliegende Erfindung behoben, indem die drehzahlabhängige Charakteristik mit der federnden Kopplung in wirksamer Weise vorgespannt wird, wobei diese Federkopplung eine konstante, jedoch, entgegengesetzte Wirkung auf den Nettowert der Kopplung hat, so daß die wirksame Nullkopplung bei einer Drehzahl eintritt, bei der der Kreiselrotor auch tatsächlich eine Kreiselwirkung ausübt. Je stärker die Federkopplung, um so größer ist diese Drehzahl, bei der die Kopplung Null eintritt.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 8 ist das Kardanelement 36 eine Kugel, die zwischen den Rotor 37 und das Antriebselement 38 geschaltet ist und die physikalisch das Mittelelement des Kardangelenks bildet und den radförmigen, angetriebenen Rotor 37 über Schwenkelemente 39 trägt und seinerseits von

Claims (3)

dem getriebenen Ring 38 über die Schwenkelemente getragen wird. Die Welle 41 des Antriebsringes kann von einem nicht dargestellten üblichen Antrieb aus angetrieben werden. Patentansprüche:

1. Kreisel mit kardanisch gelagertem Rotor, der von einem gehäusefest angeordneten Motor unter Mitdrehung der Kardanlagerung angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die innere und/oder die äußere Kardanachse durch drehelastische Elemente gebildet wird.

2. Kreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drehelastischen Elemente als gekreuzte Blattfedern ausgebildet sind (F i g. 2 bis 4).

3. Kreisel nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch eine derartige Abstimmung zwischen der Drehzahl des Antriebsmotors und dem Rückstelhnoment der drehelastischen Elemente, daß die durch die Mitdrehung der Kardanlagerung erzwungene Präzession minimal ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2712 757, 2 948 155.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 549/96 4.67 © Bundesdiuckerei Berlin