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Die Erfindung bezieht sich auf ein Kreiselgerät der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.
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Um Kreiselgeräte mit geringen Abmessungen zu erzielen, ist es bekannt, lagerfreie Rotoren zu verwenden, d. h. einen Rotor ohne Kardanrahmen (US-PS 36 77 097). Hierbei wird der Rotor mit Hilfe eines Tragelementensystems an der Antriebswelle befestigt, das radiale und axiale Biegungs-Tragelemente aufweist. Wünschenswerte Eigenschaften für dieses Biegungs- Tragsystem schließen eine Festigkeit und Steifigkeit in allen Translationsrichtungen ein, so daß das Kreiselgerät gegenüber Schäden aufgrund von Beschleunigungen, Schwingungen und Stößen relativ sicher ist. Weiterhin ist eine geringe Federeinspannkraft, für das die Winkelbewegung ermöglichende System um die Meßachsen erwünscht, damit die Meßempfindlichkeit ausreichend hoch ist. Weitere gewünschte Eigenschaften beziehen sich auf die Iso-Elastizität, die Empfindlichkeit gegenüber synchronen Schwingungen und die Anpaßbarkeit an die Einfügung einer Trägheitsabstimmung.
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Es ist weiterhin ein Kreiselgerät der eingangs genannten Art bekannt (DE-OS 20 24 593), das eine einfache Konstruktion des Biegungs-Tragsystems in Form eines einfachen radialen Armkreuz-Tragelementes und eines axialen zylindrischen Streben-Tragelementes aufweist. Dieses Kreiselgerät weist eine ausreichende Festigkeit und Steifigkeit in allen Translationsrichtungen auf und es ist weiterhin auch gegenüber Schwingungen bei der doppelten Rotordrehzahl unempfindlich. Trotz der Verwendung eines einen verringerten Querschnitt aufweisenden biegsamen Abschnittes im Verlauf des axialen Biegungs-Tragelementes weist dieses bekannte Kreiselgerät jedoch eine relativ hohe Federeinspannkraft auf, wodurch die Meßempfindlichkeit verringert wird.
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Es ist weiterhin ein Kreiselgerät bekannt (US-PS 32 11 011), das ein kompliziertes Aufhängungssystem mit einer Vielzahl von kompliziert und kostspielig bearbeiteten Teilen aufweist. Weiterhin ist bei dieser Konstruktion eine genaue Ausgleichseinstellung erforderlich, um eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Schwingungen bei der doppelten Rotordrehzahl zu erzielen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kreiselgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei einfachem Aufbau eine hohe Empfindlichkeit aufweist, wobei die Aufhängung von der Rotordrehzahl nicht abhängig ist, so daß keine Rotordrehzahl- oder Frequenzsteuerung erforderlich ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kreiselgeräts ergibt sich eine hohe Meßempfindlichkeit aufgrund der stark verringerten Federeinspannkräfte, ohne daß jedoch die Festigkeit und Steifigkeit in Translationsrichtungen beeinträchtigt wird. Weiterhin ist die Aufhängung des Rotors unabhängig von der Rotordrehzahl, so daß keine Rotordrehzahl- oder Frequenzsteuerung erforderlich ist. Die bei bekannten Kreiselgeräten auftretende Empfindlichkeit gegenüber Schwingungen bei der doppelten Rotordrehzahl ist vollständig beseitigt.
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Das erfindungsgemäße Kreiselgerät kann durch wenig aufwendige Techniken unter Einschluß von Fotoätzverfahren hergestellt werden und die Teile können durch wenig aufwendige Klebemittel miteinander verbunden werden, so daß Arbeitsgänge, die bei der Verwendung üblicher Befestigungseinrichtungen erforderlich sind, entfallen können. Die Teile können weiterhin ausreichend stark ausgebildet sein, so daß komplizierte Elemente wie z. B. bei bekannten Kreiselgeräten erforderlichen Anschläge nicht mehr erforderlich sind, wobei das Tragsystem dennoch ausreichend biegsam ist, damit sich eine ausreichende Empfindlichkeit ergibt.
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Das Biegungs-Tragsystem ist nicht von der Rotordrehzahl abhängig, so daß eine Rotordrehzahl- oder Frequenzsteuerung nicht erforderlich ist. Das Biegungs- Tragsystem ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine H-Modulation erforderlich ist. Die gesamte Kreiselkonstruktion ist weiterhin bei Anwendungen zweckmäßig, die ein zusammenwirkendes Paar von mit biegsamen Tragelementen gelagerten Kreiselgeräten erfordern, weil die Rotoren bei versetzten Frequenzen betrieben werden können, so daß die Möglichkeit unerwünschter mechanischer Kopplungen zwischen Paaren von Kreiselgeräten vermieden werden kann.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigt
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Fig. 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform des Kreiselgeräts vom Typ mit Drehachsenbezug,
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Fig. 2 eine bruchstückhafte Querschnittsansicht unter 90° zum Schnitt nach Fig. 1,
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Fig. 3 eine bruchstückhafte Querschnittsansicht unter 45° zu den Fig. 1 und 2,
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Fig. 4A eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht eines Teils der Fig. 1,
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Fig. 4B eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils der Fig. 4A;
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Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Baugruppe der Teile nach Fig. 4A;
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Fig. 6 eine Querschnittsansicht einer abgeänderten Ausführungsform des Kreiselgerätes mit Gehäusebezug;
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Fig. 7 eine bruchstückhafte Querschnittsansicht unter 90° zum Schnitt nach Fig. 6.
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Die in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellte Ausführungsform des Kreiselgerätes mit Drehachsenbezug ist allgemein mit 10 bezeichnet und umfaßt ein Gehäuse 11, in dem Wälzlager 12 und 13 befestigt sind, die die Antriebswelle 14 um ihre geometrische Drehachse lagern. Die Antriebswelle 14 wird durch einen allgemein üblichen synchronen Drehmotor mit einem Stator 16 und einem Rotor 17 in Drehung versetzt, wie er beispielsweise in den obengenannten Patent- und Offenlegungsschriften beschrieben ist. Ein Kreiselrotorrad 20 ist in Radialrichtung durch ein biegsames Tragelement in Form eines Armkreuzes 21 gehaltert, das ausführlicher in Fig. 4A gezeigt ist. Dieses Armkreuz 21 weist vier unter gleichen Winkeln angeordnete elastische dünne ebene Arme auf, die den Kreiselrotor 20 um die normale Drehachse drehbar und flexibel haltern. Der Kreiselrotor 20 ist in Richtung der Drehachse durch ein weiteres biegsames Tragelement oder eine Strebe 22 gehaltert, die sich durch eine Öffnung 23 in dem radialen Biegungs-Armkreuz 21 erstreckt. Die Strebe 22 weist eine sich durch die hohle Antriebswelle 14 erstreckende Verlängerung in Form eines Stabes 24 auf, der am Mittelpunkt einer elastischen Membran 25 befestigt ist, wobei die Funktion des Stabes 24 und der Membran 25 ausführlich in der oben erwähnten deutschen Offenlegungsschrift 20 24 593 erläutert ist. Es ist weiterhin ein Winkelabgriffsystem vorgesehen, das allgemein mit 18 bezeichnet ist und das zur Feststellung einer Kippbewegung oder eine Neigung des Kreiselrotorrades 20 um eine von zwei zur Drehachse des Kreiselgerätes senkrechte Achsen vorgesehen ist. Der Abgriff 18 kann von der allgemeinen Art sein, wie sie in den oben erwähnten Patent- und Offenlegungsschriften beschrieben ist.
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Unter besonderer Bezugnahme auf Fig. 4A werden im folgenden die Bauteile des Aufhängungssystems gemäß einer Ausführungsform beschrieben. Hierbei wird weiterhin auf die Fig. 1, 2 und 3 bezug genommen, damit die spezielle Anordnung der Elemente nach Fig. 4A bezüglich des bereits beschriebenen Teils des Kreiselgerätes besser verständlich wird. Die auseinandergezogene Darstellung nach Fig. 4A zeigt die allgemeine Beziehung der verschiedenen Teile des Aufhängungssystems unter Einschluß der biegsamen Tragstrebe 22, einer Brücke 65, des biegsamen Trag-Armkreuzes 21, der Klebeplatten 50, 51, des Kreiselrotorrades 20 und des Kopfes 84 der Dreh- oder Antriebswelle 14.
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Das radiale Trag-Armkreuz 21 ist aus einem dünnen elastischen ebenen Metallblech als kreuzförmiges Teil mit einer in der Mitte angeordneten einen Freiraum aufweisenden Öffnung 23 und vier etwas vergrößerten Lappen 69, 70, 71, 72 an den gegenüberliegenden Enden der Arme des Kreuzes ausgebildet. Bei einer kompakten Versuchsausführung des Kreiselgerätes, dessen Außenmantel oder Gehäuse 11&min; (Fig. 6) einen Durchmesser von 20,2 mm und eine Länge von 21,8 mm aufwies, hatte der biegsame Trag-Armstern die Abmessungen (siehe Fig. 4A) von a=1,37 mm und b=0,94 mm und bestand aus einem Metallblech mit einer Stärke von 0,025 mm, wobei die Herstellung durch Photoätzverfahren erfolgte. Ein Paar 69, 70 der diametral gegenüberliegenden Lappen wird beim Zusammenbau an dazu passenden Vorsprüngen 86 und 87 des Wellenkopfes 84 befestigt. In diesem Fall und an vielen anderen Stellen erfolgt die Befestigung mit Hilfe von üblichen schnell härtenden Klebemitteln, wie beispielsweise Epoxy-Harzen oder ähnlichem. Das andere Paar 71, 72 von Lappen an dem zweiten Paar von Armen des Armkreuzes 21 ist durch Klebemittel an einem ähnlichen Paar von Vorsprüngen 76, 77 befestigt, die von einer einzigen Speiche 78 des Kreiselrotorrades 20 vorspringen. Obwohl die Lage der Enden der Arme des Armkreuzes 21 auf diese Weise durch die jeweiligen Vorsprünge 76, 77, 86, 87 festgelegt ist, wird der Mittelteil des Trag-Armkreuzes 21 im übrigen keinen Einspannkräften unterworfen. Im Gegensatz zu bekannten radialen Aufhängungen, wie sie beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift 20 24 593 beschrieben sind, ist die Federrückführkraft der vorstehend beschriebenen Aufhängung im wesentlichen unabhängig von der Spannung in den Aufhängungsarmen. Dieser Vorteil ist ein Ergebnis der Beseitigung im wesentlichen der gesamten Biegeauslenkung wie sie bei bekannten Aufhängungen auftritt, d.h. eine Biegung, die an einer Stelle auftritt, die in Radialrichtung gegenüber dem Mittelpunkt des Trag-Armkreuzes ersetzt ist. Es ist für den Fachmann zu erkennen, daß andere bekannte mechanische Befestigungseinrichtungen oder Befestigungsverfahren anstelle von Klebemitteln verwendet werden können.
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Die axiale Tragstrebe 22 besteht aus einem maschinell bearbeiteten runden zylindrischen Stab, der ausführlicher in der vergrößerten Ansicht nach Fig. 4B gezeigt ist. Diese Tragstrebe 22 weist, wie dies aus Fig. 4B zu erkennen ist, drei ebene Biegeelemente 54, 56, 58 auf, die in dem aktiven Biegebereich eingefräst sind. Der zylindrische Teil 53 der Strebe ist an der Brücke 65 in der Mittelbohrung 68 befestigt, während der gegenüberliegende zylindrische Teil 59 in einer Bohrung 80 der Speiche 78 des Kreiselrotorrades 20 befestigt ist. Die End-Biegeelemente 54 und 58 liegen in der gleichen diametralen Ebene der Strebe 22, wobei diese Ebene senkrecht zur diametralen Ebene des in der Mitte liegenden Biegeelementes 56 liegt. Das ebene Biegeelement 56 weist vorzugsweise die doppelte Länge auf, wie die eine gleiche Länge aufweisenden Biegeelemente 54, 58. Von der Stirnfläche des Wellenkopfes 84 aus springen vier unter gleichen Abständen angeordnete Säulen, wie z. B. die Säule 85 nach Fig. 3 vor, die eine einfache Halterung für eine Anschlagplatte 91 und einen kreisringförmigen Mantel oder eine Schale 90 zur Verringerung von Luftreibungsverlusten ergeben. Wenn dieser Mantel oder diese Schalte 90 aus üblichem Material mit niedriger magnetischer Permeabilität hergestellt ist, ist eine Wechselwirkung zwischen den Teilen des Abgriffs 18 möglich, während gleichzeitig eine Strömungsmittelkopplung zwischen dem Rotor 20 und dem Gehäuse 11 beseitigt wird.
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Es ist für den Fachmann erkennbar, daß in den Fig. 1 und 2 bestimmte Teile, die in anderen Figuren gezeigt sind, fortgelassen sind, wie z. B. die Säulen 85 des Wellenkopfes nach Fig. 4a. Weiterhin sind bestimmte Teile in Fig. 3 fortgelassen, um deutlicher erkennen zu lassen, wie der Mantel 90 und die Grenzanschläge 91 gehaltert sind.
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Das Aufhängungssystem oder Tragsystem ergibt eine Translationssteifigkeit um 3 zueinander senkrechte Achsen sowie eine sehr geringe Torsionsrückführkraft bei einer einfachen billigen Anordnung, die von Natur aus eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Schwingungen mit der doppelten Rotordrehzahl aufweist. Die Verwendung der Reihe von drei ebenen Biegeelementen 54, 56, 58 in der Strebe 22 anstelle eines einzigen runden zylindrischen Biegeelementes bekannter Art führt zu einer beträchtlichen Verringerung der Biegesteifigkeit der Tragstrebe 22. Bei einer bestimmten jedoch repräsentativen Aufhängung und für eine vorgegebene axiale Lastkapazität ergab die Anordnung mit mehreren flachen Biegeelementen eine Verringerung der Steifigkeit um einen Faktor von 6 gegenüber dem bisher verwendeten rundzylindrischen Biegeelement. Die Verwendung der drei ebenen Biegeelemente 54, 56, 58 hält in vorteilhafter Weise den Biegemittelpunkt konstant und zwar unabhängig von der Richtung der Auslenkung des Kreiselrotorrades 20. Wie dies in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, liegt der Mittelpunkt des mittleren ebenen Biegeelementes 56 in der Öffnung 23 des biegsamen radialen Armkreuzes 21.
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Im Betrieb werden alle radialen und Antriebsmotor- Drehmomentlasten des rotierenden Systems von dem Trag-Armstern 21 aufgenommen, der eine Kippbewegung des Kreiselrotorrades 21 gegenüber der Antriebswelle 14 durch eine Drehauslenkung seiner Arme aufnimmt. Tatsächlich kann der Mittelteil des Armsterns 21 mit dem Zwischenkardanring eines Hooke&min;schen Universalgelenkes verglichen werden. Weil dieser effektive Kardanrahmen aus äußerst dünnem Metallblech geformt ist, ist er von Natur aus bezüglich der beiden zueinander senkrechten Schwenkachsenmassen ausgeglichen und das Kreiselgerät weist daher eine sehr geringe Eigenempfindlichkeit gegenüber Schwingungen mit der doppelten Rotordrehzahl auf.
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Im Betrieb werden alle auf das rotierende System einwirkenden Axiallasten von der die drei Biegeelemente aufweisenden Strebe 22 aufgenommen. Wie es weiter oben erwähnt wurde, ist die Strebe 22 so bemessen, daß das ebene mittlere Biegeelement 56 doppelt so lang ist, wie die beiden ebenen End-Biegeelemente 54, 58. Eine derartige Anordnung weist eine gleiche Biegesteifigkeit in jeder Auslenkrichtung sowie eine gleiche Säulenfestigkeit auf. Obwohl die axiale Halterung des effektiven mittleren Kardanrahmenteils der radialen Aufhängung weich ist, verhindert die extrem niedrige Masse des effektiven Kardanringes eine übermäßige anisoelastische Beschleunigungsempfindlichkeit. Wenn jedoch eine Masse diesem Teil der Aufhängung hinzugefügt werden muß, um eine Trägheitsabstimmung zu erzielen, so kann sich eine übermäßige Anisoelastizität ergeben. Entsprechend ist beabsichtigt, daß die Aufhängung in Verbindung mit einem Federkompensationssystem verwendet wird, wie z. B. dem bei 95 in den Fig. 1 und 2 gezeigten Kippstrebensystem, das auch in der oben erwähnten deutschen Offenlegungsschrift 20 24 593 beschrieben ist. Alternativ kann ein bekanntes permanentmagnetisches Kippsystem, wie es beispielsweise in der oben erwähnten britischen Patentschrift 7 22 492 gezeigt ist, verwendet werden.
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Das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Kreiselgerätes mit Wellenbezug in der vorstehend beschriebenen Art ist insbesondere bei Kreiselgeräten vorteilhaft, die ihre Eichung über lange Zeitperioden aufrechterhalten müssen, selbst wenn sie bei der Handhabung Stößen und Temperaturänderungen unterworfen werden, die eine sehr geringe Verschiebung der relativen Positionen der verschiedenen Teile hervorrufen können. Die mit Wellenbezug arbeitende Anordnung nach den Fig. 1 bis 5 ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil hierdurch die Auswirkungen irgendeiner Unstabilität der Lage der Drehachse des Kreiselrotors vermieden werden, weil keine konstante Anderung der Abgriffsystem-Nullstellung bezüglich der die Drehmomente hervorrufenden Zwangskräfte auf den Kreiselrotor durch derartige Instabilitäten hervorgerufen wird.
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Für bestimmte andere Anwendungen kann der Aufbau des Kreiselgerätes so vereinfacht werden, wie dies in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist, so daß die Größe und die Kosten des Kreiselgerätes weiter verringert werden. Wenn ein unerwünschtes Vorspannungssignal im elektrischen Ausgang des Abgriffsystems 18&min; auftritt, können diese Fehler extern aufgehoben werden, wie dies beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift 20 24 606 vorgesehen ist.
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Das Kreiselgerät nach den Fig. 6 und 7 ist ein Kreiselgerät mit Gehäusebezug und Teile, die den Teilen in den vorstehenden Figuren entsprechen, tragen gleiche Bezugsziffern. Es ist zu erkennen, daß die Antriebswelle 14&min; ein joch oder eine Brücke 65&min; trägt, an der die Endlappen 69&min;, 70&min; eines Armes des kreuzförmigen Trag- Armsterns 21&min; befestigt sind. Eine rohrförmige Nabe 92 trägt nunmehr die Speiche 78&min; des Kreiselrotorrades 20&min;, das an seinem Umfang ein mit veränderlicher Reluktanz arbeitendes Auslenk-Abgrenzsystem 18&min; trägt, wie es in der Kreiseltechnik gut bekannt ist.
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In den Fig. 6 und 7 ist das in Axialrichtung angeordnete, drei Biegeelemente aufweisende Strebensystem 22 an einem Ende in der Nabe 92 befestigt, die einstückig mit der Speiche 78&min; ausgebildet ist, während es am gegenüberliegenden Ende in einer Bohrung in der hohlen Antriebswelle 14&min; befestigt ist. Das gegenüberliegende Ende der hohlen Welle 14&min; ist mit einer Maschinenschraube 93 versehen, die in ein Innengewinde der Hohlwelle 14&min; eingeschraubt ist. Die Lagerringe der Kugellager 12 und 13 sind zwischen einem Flanschteil 94, von dem aus sich die Brücke 65&min; erstreckt und dem Kopf der Maschinenschraube 93 eingespannt, wenn diese angezogen ist. Die Betriebsweise des Kreiselgerätes ist allgemein ähnlich zu der Betriebsweise des Kreiselgerätes nach den Fig. 1 bis 5. Das (nicht gezeigte) Aufhängungsfeder-Kompensationssystem kann vom Typ mit magnetischer Kippwirkung sein, wie sie in der britischen Patentanschrift 7 22 492 beschrieben ist.