DE2828929A1

DE2828929A1 - Rotor fuer kreiselgeraete

Info

Publication number: DE2828929A1
Application number: DE19782828929
Authority: DE
Inventors: Peter Earl Jacobson; Conrad Martin Rustenburg
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1977-07-01
Filing date: 1978-06-30
Publication date: 1979-01-18
Also published as: JPS5413880A; DE2828929C2; FR2396269A1; IT7849557A0; IT1156773B; JPS6122885B2; US4343203A; GB1596120A; FR2396269B1

Description

Patentanwälte 2828829

Dipl.-lng. Curt Wallach Dipl.-lng. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D -8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: Unser Zeichen:

, Juni I978

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Sperry Rand Corporation New York, USA

Rotor für Kreiselgeräte

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Patentanwälte D: pi.-1 ng. C u rt WaI I ach Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

2828829 Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 ■ Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: j50 . Juni 1978

Unser Zeichen: iß 258 - Fk/Ne

Sperry Rand Corporation New York, USA

Rotor für Kreiselgeräte

Pie Erfindung bezieht sieh auf einen Rotor für Kreiselgeräte sowie auf Baugruppen unter Einschluß derartiger Rotoren.

Es ist gut bekannt, daß die an ein Kreiselgerät mit sehr guten Betriebseigenschaften gestellten Forderungen hauptsächlich auf dem Winkelimpuls des Kreiselrotors beruhen.

Ein gewünschter Drehimpuls kann durch Auswahl der Drehzahl des Rotors für eine gewünschte Rotormasse oder umgekehrt erzielt werden. Bei manchen Anwendungen ist es wünschenswert, die Rotormasse ohne Vergrößerung der Rotorgröße zu vergrößern um auf diese Weise die Rotordrehzahl für einen vorgegebenen Drehimpuls zu verringern. Dies kann dadurch erreicht werden, daß ein Bimetallrotor verwendet wird, der einen Kranz aus einem Metall mit hoher Dichte und eine Lager-Radscheibe aus einem Metall mit niedriger Dichte aufweist.

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Es sind Bimetallkreisel bekannt, d.h. Kreisel·, deren Rotor aus einem Außenring oder Kranz aus schwerem Metall· sowie aus mit Axialabstand angeordneten die Drehlager tragenden Radscheiben aus Metall· mit geringem Gewicht zur Befestigung des Rotors für eine Drehung um eine Achse besteht, so daß sich eine vergrößerte Trägheit ergibt. Bimeta^kreisel· werden jedoch nicht in dem Ausmaß verwendet, wie dies zu erwarten ist, insbesondere nicht bei kieineren Kreiseigeräten, wie sie beispieisweise in der deutschen Offeniegungsschrift 23 I5 216 beschrieben sind und zwar auf Grund der unterschiediichen thermischen Ausdehnungscharakteristiken des aus schwerem Metail· mit hoher Dichte bestehenden Kranzes und der Radscheibe aus ieichtem und eine niedrige Dichte aufweisenden Metail·. Diese unterschiediiche Ausdehnung ruft eine Verformung der Größe und/oder der Form des äußeren Laufringes der Drehlager hervor, wodurch die Kreise lbe tr iebs eigenschaften, die Zuverläss&keit und die Lebensdauererwartung verschlechtert werden. Weiterhin können bei einem Bimetallkreisel· unterschied iiche axiaie Dimensionsänderungen und/oder Lagervorspannänderungen aufGrund der Zentrifugaikraft und thermischer Spannungswirkungen auftreten wenn das Kreiselgerät auf eine bestimmte Drehzahl hochgefahren wird und/oder sich ändernden Temperaturen ausgesetzt wird, wodurch eine Verwerfung oder Verwölbung der Radscheibe auftreten kann. Wenn beispielsweise der Einfluß der Änderungen von Kompressionsspannungen zwischen dem Kranz und der Radscheibe in Axialrichtung unsymmetrisch ist, d.h. auf der einen Seite der Rotorbaugruppe anders als auf der anderen Seite, so neigt die Kreiselmasse dazu, sich entlang der Drehachse zu verschieben, so daß sich ein Ungleichgewicht für die Rotor-ZRotorlagerrahmenbaugruppe ergibt und eine unannehmbare Kreiseldrift hervorgerufen wird. Weiterhin müssen am Armaturenbrett befestigte Kreiselgeräte für die Luftfahrzeuginstrumentierung, wie sie beispielsweise in der genannten deutschen Offeniegungsschrift 2j5 I5 216 beschrieben sind, kompakt sein, was im allgemeinen die Einfügung von Radialausdehnungsmaßnahmen ausschließt.

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Entsprechend würden sich viele Anwendungen für Bimetall-Kreiselrotoren mit Einrichtungen ergeben, die eine Verformung des äußeren Lagerlaufringes der Drehlager und axiale Dimensionsänderungen auf Grund von thermischen und Zentrifugalkräften beseitigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für Kreiselgeräte der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten bekannter Bimetall-Kreiselrotoren nicht auftreten, so daß eine vielfältige Anwendung möglich ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Rotor für Kreiselgeräte, der um eine Achse drehbar ist und einen Trägheitskranz und eine Radscheibe zur Aufnahme von Lagereinrichtungen zur Lagerung des Trägheitskranzes und zur Befestigung des Rotors für eine Drehung um eine Achse aufweist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Anzahl von unter gleichen Winkelabständen angeordneten Spannungskonzentrationseinrichtungen vorgesehen ist, die eine Anzahl von Trägheitskranz-Halterungsgrenzflächen zwischen den Trägheitskranz und der Radscheibe bilden., und daß die Radscheibe darin ausgebildete Löcher aufweist, die in Radialrichtung gegenüberliegend zu jeder Spannungskonzentrationseinrichtung angeordnet sind, um die Lagereinrichtungen gegenüber Spannungen und Beanspruchungen zu isolieren, die in der Radscheibe durch den Trägheitskranz hervorgerufen werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Rotor besteht keine Gefahr einer Verformung des Lageraußenringes der Rotorlagerung oder die Gefahr von axialen Dimensionsänderungen auf Grund thermischer und Zentrifugalkräfte, so daß die Probleme bekannter Rotoren beseitigt sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsformder Erfindung wird ein Kreiselgerät mit einem Bimetallrotor geschaffen, der sich um eine Achse in einem Rotor-Traggehäuse oder Rahmen drehen

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kann und der einen Außenkranz aus einem Metall mit hoher Dichte zur Erzielung eines hohen Drehimpulses bei niedrigen Rotordrehzahlen sowie zwei mit Axialabstand angeordnete den Kranz lagernden Radscheiben aus einem Metall mit niedriger Dichte aufweist, die den äußeren Lagerring für die Rotor-Drehlager bilden. Jede Endfläche des Rotors weist Ausnehmungen auf, die zwischen sich eine Anzahl von in Radialrichtung nach innen vorspringenden Kissen umgrenzen, die unter gleichen Abständen um die Drehachse herum angeordnet sind und eine Anzahl von Spannungs- oder Beanspruchungs-Konzentrierungsgrenzflächen zwischen dem Kranz des Rotors und den Radscheiben bilden. Jede Radscheibe schließt eine entsprechende Anzahl von Löchern ein, die in diesen Radscheiben ausgebildet sind und gegenüberliegend zu jeweiligen Kissen angeordnet sind, um den Außenlagerring von irgendwelchen Spannungen und Beanspruchungen zu isolieren, die anderenfalls eine Verformung und Dimensionsänderung auf Grund von thermischen und Zentrifugalkraftwirkungen während des Betriebs hervorrufen würden.

Die Spannungs- oder Beanspruchungs-Konzentrierungskissen lenken zusammen mit den in den Radscheiben ausgebildeten Löchern die tangentialen und radialen Spannungslinien in der Radscheibe um, so daß geschlossene Schleifen gebildet werden, die jede der Ausnehmungen umgeben, so daß die in der Radscheibe hervorgerufene Spannung in die Radscheibe von einem der die Spannung konzentrierenden Kissen aus eintritt, von dem dem entsprechenden Kissen gegenüberliegenden Loch zum benachbarten Kissen umgelenkt wird w~* C>.v^l vct*. dem dem nächsten Kissen gegenüberliegenden Loch in Richtung auf den Kranz und durch das benachbarte Kissen hindurch umgelenkt wird, so daß die Ausnehmung umkreist wird und die Spannung zu dem Kissen hin zurückgeführt wird, von dem aus die Spannung in die Radscheibe eintrat. Daher verhindern die Ausnehmungen und die Löcher, daß die durch den Preßsitz und irgendeine unterschiedliche thermische Ausdehnung zwischen dem Kranz und der Radscheibe hervorgerufenen Spannungen den

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äußeren Lagerring des Lagers erreichen, so daß auf diese Weise eine Verformung und/oder Dimensionsänderung des äußeren Lagerringes verhindert wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Teil einer Ausführungsform einer Kreisel-

baugruppej

Flg. 2 einen Querschnitt der Ausführungsform des

Bimetall-Rotors der Baugruppe;

Fig. JA eine Draufsicht auf den Birne ta 11-Ro tor nach

Fig. 2;

Fig. JB eine Draufsicht auf eine abgeänderte Ausführungsform des Kreiselrotors;

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines bekannten

Bimetall-Kreiselrotors, die idealisierte tangentiale Beanspruchungslinien und die hierdurch hervorgerufene Dimensionsänderung zeigt;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Bimetall-Rotors, die die Trennung und Isolation des Lageraußenringes durch die Umlenkung der tangentialen Beanspruchungslinien zeigt, die in der Radscheibe hervorgerufen werden.

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In FIg. 1 ist die Längsnelgungs-Kardanrahmenbaugruppe einer typischen an einem Armaturenbrett zu befestigenden Kreiselgerät-Baugruppe 10 gezeigt, wie sie für Luftfahrzeug-Anzeigeinstrumente verwendet wird, beispielsweise für ein Luftfahrzeug-Fluglagenanzeigegerät, wie es in der oben erwähnten deutschen Offenlegungsschrift 2^ 15 216 gezeigt ist. Die Baugruppe 10 schließt ein Rotorgehäuse oder einen Kardanrahmen 11, Kardanrahmenlagerzapfen 12 und einen Rotor Ij5 ein, der in dem Gehäuse für eine Drehung um eine Spin- oder Drehachse 14 gelagert ist. Der Querneigungskardanrahmen ist aus Vereinfachungsgründen fortgelassen.

Wie es weiter oben erwähnt wurde, ist es für einige Anwendungen wünschenswert, Kreiselgeräte zu konstruieren, insbesondere am Armaturenbrett eines Luftfahrzeuges befestigte Kreiselgeräte, die mit verringerter elektrischer Betriebsleistung arbeiten, um die Erzeugung hoher Temperatur in einem Bereich des Luftfahrzeuges zu vermeiden, an dem sich bereits viele wärmeerzeugende Instrumente befinden. Eine Möglichkeit hierzu, unter Aufrechterhaltung des konstruktiv festgelegten Trägheitsmomentes besteht darin, die Umfangsmasse des Rotors zu vergrößern und entsprechend die Rotordrehzahl zu verringern, wodurch der Rotor-Antriebsstrom verringert wird. Diese Erwägungen lassen die Verwendung einer Bimetall-Rotorkonstruktion als vorteilhaft erscheinen, wie sie weiter oben kurz erläutert wurd e.

Die konstruktiven Einzelheiten des Rotors Ij5 sind in den Figuren 2 und ^A gezeigt. Der Rotor 13 schließt einen äußeren Trägheitskranz 15 (der aus einem Metall mit hoher Dichte wie z.B. einer Wolfram-Silberlegierung hergestellt ist) ein, der über zwei mit axialem Abstand angeordnete Radscheiben 16 (die aus einem Metall mit niedrigerer Dichte, wie z.B. üblichem Lagerungsstahl) mit den Rotorlagereinrichtungen I7 verbunden ist. Die Lagereinrichtungen 17 umfassen innere und äußere Lagerlaufringe, die noch näher erläutert werden und die den

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Rotor 13 für eine Drehung um die Spin- oder Drehachse 14 lagern. In dem kreisringförmigen Raum zwischen der Drehachse 14 und dem Trägheitskranz I5 1st ein üblicher Antriebsmotor 18 angeordnet, der den Rotor 13 in Drehung versetzt.

Der Bimetallrotor I3 Ist so aufgebaut, daß er ein großes Trägheits-/Gewichtsverhältnis und ein großes Trägheits-/Größenverhältnis aufweist, um einen hohen Drehimpuls bei verringerter Rotordrehzahl zu erzielen, wobei die Probleme vermieden werden sollen, die sich aus den noch zu erläuternden thermischen Wirkungen ergeben. Das große Trägheits-/Gewichts- oder Trägheits-/Größenverhältnls wird dadurch erzielt, daß die maximale Menge an Masse in Richtung auf den Umfang des Rotors Ij5 hin verteilt wird. Der aus schwerem Metall bestehende äußere Trägheitskranz I5 dient als Umfangsmasse und ergibt die gewünschte große Trägheit, während die ein geringes Gewicht aufweisenden Radscheiben 16 nicht nur den schweren Trägheitskranz 15 für eine Drehung lagern, sondern mit diesem derart kombiniert sind, daß sich ein Bimetall-Rotor ergibt, bei dem die maximale Menge an Masse in Richtung auf den Umfang des Rotors hin verteilt ist.

An jedem Ende des Rotors weisen die Lagereinrichtungen 17 Kugeln 25 auf, die zwischen den oben erwähnten inneren und äußeren Lagerlaufringen 23 und 24 angeordnet sind. Der innere Lagerlaufring 23 ist durch einen Lagerring 21 gebildet, während der äußere Lagerlaufring 24 maschinell In die entsprechende Radscheibe 16 eingearbeitet ist oder alternativ in Form eines getrennten Lagerringes ausgebildet sein kann, der in den Innenumfang der Radscheibe 16 eingelassen ist. Die Lagereinrichtungen 17 können dynamisch stabilisierte Kugelkäfige einschließen, wie dies in der deutschen Offenlegungsschrift 25 25 104 beschrieben ist, um die Kreiselgeräusche und Schwingungen zu verringern und um die Zuverlässigkeit der Baugruppe zu vergrößern.

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Wie dies in den Figuren 2 und 3A gezeigt ist, ist der Trägheitskranz 15 allgemein zylindrisch und die Endflächen dieses Trägheitskranzes sind durch maschinelle Bearbeitung entfernt oder ausgenommen, um bogenförmige Ausnehmungen 32 zu bilden, die sieh über eine erhebliehe Tiefe sowohl in Radialrichtung als auch in Axialrichtung derart erstrecken, daß an jeder Endfläche des Rotors 3 sich radial nach innen erstreckende Vorsprünge 33 (Pig· 3A) verbleiben, die unter gleichen Winkelabständen um die Achse 14 herum angeordnet sind. Die Ausnehmungen 32 können als Spannungs- oder Beanspruchungs-Entlastungsbereiche oder -volumen bezeichnet werden. Die Vorsprünge 33 an einer Endfläche des Trägheitskranzes I5 sind derart unter Winkelabständen angeordnet, daß sie sich bei 0°, 120° und 240° befinden, während die Vorsprünge 33 an der anderen Endfläche des Trägheitskranzes I5 unter 60°, 18O° und 300° angeordnet sind. Diese Vorsprünge 33 können als Trägheitskranz-Spannungs-Konzentrierkissen bezeichnet werden. Jede Radscheibe 16 ist allgemein scheibenförmig und weist eine Dicke auf, die kleiner als die axiale Tiefe der Auschnitte oder Ausnehmungen 32 des Trägheitskranzes ist. In jede scheibenförmige Radscheibe 16 sind drei relativ große unter gleichen Winkelabständen angeordnete Löcher 34 geradlinig hindurchgebohrt und zwar relativ nahe am Außenumfang der Radscheibe. Die Radscheiben 16 werden so in den Trägheitskranz I5 eingebaut, daß die Löcher 34 genau in Radialrichtung mit den Kissen 33 ausgerichtet sind. Dieser Einbau erfolgt mit einem Preßsitz, so daß die Kissen 33 nach dem Zusammenbau eine Anfangsspannung in den Radscheiben l6 in noch zu erläuternder Weise hervorrufen. Die Kissen 33 stehen mit den Radscheiben 16 an Grenzflächen 3I in Berührung und konzentrieren alle inneren Rotor-/Radscheiben-Spannungen an diesen unter Winkelabständen angeordneten Grenzflächen 31· Die Größe der Löcher 34 bezogen auf die radialen und axialen Abmessungen jedes Kissens 33 ist eine Funktion der Größe und der Beanspruchung und Spannung, die in dem Kreiselrotor über den Betriebs-Umgebungsbereich hervorgerufen wird, wie dies ausführlicher erläutert wird. Die Löcher 34 in der oberen Rad-

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scheibe 16 nach Fig. 2 sind in Fig. 3A mit voll durchgezogenen Linien gezeigt, während die Löcher 34 in der unteren Radscheibe 16 nach Fig. 2 in Fig. 3A gestrichelt gezeigt sind.

Es ist selbstverständlich, daß der Bimetallrotor eine größere Anzahl von Kissen und Löchern 34 in Abhängigkeit von der relativen Bemessung und den Proportionen seiner Bauteile aufweisen kann; die drei Kissen 33 und die drei Löcher 34, die in den Zeichnungen gezeigt sind, ergeben einen optimalen Wert für die dargestellten Rotorproportionen.

In den Figuren 4 und 5 ist schematisch das Spannungslinien-Muster eines Bimetallrotors bekannter Art bzw. gem. der Erfindung gezeigt. In Fig. 4 ist ein idealisierter Kreiselrotorkranz 40 mit Preßsitz (thermisch) auf eine Radscheibe 39 aufgepaßt, wodurch eine anfängliche Rotor-/Lager-Grenzflächenspannung hervorgerufen wird, die zu den idealisierten tangentialen Spannungslinien führt, die bei 43 dargestellt sind und die bei einer Drehgeschwindigkeit von 0 und einer normalen Betriebstemperatur eine radiale Kompressions-Grenzflächenspannung hervorrufen, die die Teile des Rotors zusammenhalt. Diese radiale Spannung oder Beanspruchung führt zu tangentialer Beanspruchung sowohl in dem Kranz als auch der Radscheibe, wie dies durch die idealisierten konzentrischen Linien 43 nach Fig. 5 angedeutet ist. Die Größe der radialen Beanspruchung oder Spannung ist derart, daß bei einer Drehgeschwindigkeit von 0 und bei der niedrigsten Betriebstemperatur keine Trennung des Kranzes von der Radscheibe erfolgt.

Einer der wichtigsten normalen Betriebsumgebungseinflüsse für einen Kreiselrotor ist der thermische Umgebungseinfluß. Wenn der Rotor nach Fig. 4 einer Temperaturerhöhung ausgesetzt wird, ist der Koeffizient der thermischen Ausdehnung des Materials des Trägheitskranzes, das beispielsweise eine Wolfram-Stahllegierung sein kann, beträchtlich kleiner als der Koeffizient der thermischen Ausdehnung des weniger dichten

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Radscheibenmaterials, das beispielsweise üblicher Lagerstahl ist, so daß sich das Material des Trägheitskranzes weniger ausdehnt als das Material der Radscheibe und sich eine Verringerung des Innendurchmessers 41 des Trägheitskranzes 40 gegenüber dem Außendurchmesser der Radscheibe 39 ergibt. Die resultierende Vergrößerung der radialen Kompressionsspannung führt zu einer vergrößerten radialen Beanspruchung in der Radscheibe, wodurch der Innendurchmesser 44 des Lagerlaufringes verringert wird, wie dies schematisch durch die gestrichelten Linien in Fig. 4angezeigt ist, so daß die Lagervorspannung und die Kugelbelastung und damit schließlich die Kreiselbetriebseigensohaften und Lebensdauer in schwerwiegender Weise beeinflußt wird. Weiterhin sind die idealisierten Beanspruchungslinien in der Praxis nicht erzielbar weil die nicht vollständig perfekten Abmessungen des Kranzes 40 und der Radscheiben 39 nicht nur zu einer Änderung des Durchmessers des Lagerlaufringes sondern auch seiner Rundheit führen. Ein weiteres schwerwiegendes Ergebnis der vergrößerten Beanspruchung in den Radscheiben besteht in der Neigung der Radscheiben zu einer Verwerfung oder Auswölbung, d.h, die Radscheiben neigen dazu, den Beanspruchungen nachzugeben und ihre axialen Positionen an dem Lagerlaufring zu ändern. V/eil die Radscheiben in ihrer Form und in ihrem Ansprechverhalten auf diese inneren Beanspruchungen nicht perfekt ausgebildet werden können, neigen sie dazu, sich unsymmetrisch auszuwölben, was nicht nur zu einer weiteren Beeinflussung der Lagervorspannung führt, sondern tatsächlich eine Verschiebung des Schwerpunktes der Rotormasse und eine entsprechende Vergrößerung der Kreiseldriftrate hervorruft.

Wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, werden bei dem erfindungsgemäßen Bimetallrotor die vorstehenden Probleme dadurch vermieden, daß die durch den Grenzflächendruck oder die Spannung an der Grenzfläche zwischen dem Trägheitskranz und der Radscheibe erzeugten Beanspruchungslinien derart umgelenkt werden, daß die tangentiale und die sich daraus ergebende radiale Bean-

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spruchung, die durch den äußeren Trägheitskranz erzeugt wird, von der Radialrichtung abgelenkt werden und sich daher nicht innerhalb der Radscheibe an dem äußeren Lagerlaufring konzentrieren. Das heißt, daß, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, der Grenzflächendruck oder die Beanspruchung, die als Kraftprofil bei 45 gezeigt Ist, an getrennten, bezogen auf den Umfang kleinen Grenzflächen 3I erzeugt wird, an denen der Trägheitskranz I5 mit der Radscheibe 16 In Berührung steht. Daher ist die Beanspruchung, die durch den von dem Trägheitskranz hervorgerufenen Druck erzeugt wird, nunmehr in diskreten Bereichen konzentriert, so daß die Auswirkungen irgendeiner Unrundheit des Trägheitskranzes I5 verringert werden. Die Löcher 34 in den Radscheiben 16 lenken den direkten radialen Beanspruchungsweg zum Lagerlaufring 44 um und führen tatsächlich die Beanspruchungslinien 43', die in der Radscheibe l6 erzeugt werden, von dem Lagerlaufring fort. Entsprechend bilden, wie dies in Fig- 5 gezeigt ist, die Beanspruchungslinien In der Radscheibe 16 und im Trägheitskranz I5 geschlossene Schleifen um die Beanspruchungs-Entlastungsausnehmungen 32 herum, so daß ein allgemein dreieckförmlges Muster In dem radial äußeren Teil der Radscheibe 16 und des Trägheitskranzes I5 gebildet wird, so daß die Beanspruchungslinien sich nicht den Innenbereichen der Radscheibe und insbesondere dem äußeren Lagerlaufring 24 nähern können. Das Endergebnis besteht darin, daß die Rundheit des Lagerlaufringes 24, die Ebenheit der Radscheibe 16, die gesamte Lagerνorspannung und die Axialposition des Schwerpunktes des Trägheitskranzes I5 im wesentlichen unabhängig von Grenzflächendruckänderungen zwischen der Radscheibe 16 und dem Trägheitskranz I5 werden, die sich auf Grund von Änderungen der Zentrifugalkräfte und der Betriebstemperaturen ergeben.

V/ie dies im Vorstehenden erwähnt wurde, sind die Größen der Spannungs-Entlastungsausnehmungen 32 und der Löcher 34 derart benessen, daß verhindert wird, daß in dem Rotor I3 erzeugte Spannungen den äußeren Lagerlaufring 24- beeinflussen. Weiterhin wurde festgestellt, daß drei unter gleichen Winkelabstanden

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angeordnete Kissen 33* die in dem Trägheitskranz ausgebildet sind, und drei ebenfalls unter gleichen Winkelabständen ausgebildete Löcher 34> die in der Radscheibe 16 ausgebildet sind und in Radialrichtung mit den Kissen 33 ausgerichtet sind, eine optimale und wirtschaftliche Baugruppe sowie optimale Ergebnisse bezüglich der in der Radscheibe erzeugten Beanspruchungen und Spannungen und bezüglich der Axialbewegung des Rotors bezüglich der Rotorbaugruppenlagerung ergeben. Im Ergebnis unterteilen die S pannungs ent lastungsausnehmungen 32 den Trägheitskranz in eine Anzahl von unter gleichen Abständen angeordneten radial wirkenden federartigen Teilen zwischen den Kissen, die im Sinne einer Verringerung der Federsteif igkeit zwischen dem Trägheitskranz und der Radscheibe an den Kissen 33 wirken und die die Beanspruchungs- oder Spannungslinien entlang genau kontoliierter Wege von dem äußeren Lagerlaufring 24 fort konzentrieren. Weiterhin wird, wenn mehr als drei Spannungsentlastungsbereiche 32 vorgesehen werden, die wirksame Länge dieser radial wirkenden Feder des Trägheitskranzes verringert, wodurch die Federsteifigkeit zwischen dem Trägheitskranz und den Kissen vergrößert wird und im Ergebnis die in der Radscheibe hervorgerufene Spannung oder Beanspruchung vergrößert wird. Obwohl bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kreisrunde Löcher in den Radscheiben ausgebildet sind, wurde festgestellt, daß, wenn die Breite jedes Kissens 33 6^rößer als der Durchmesser eines kreisrunden in der Radscheibe auszubildenden Loches ist (wobei dieses Loch genügend Radscheibenmaterial zwischen dem Kissen und dem Loch und dem äußeren Lagerlaufring und dem Loch verbleiben lassen muß) das Loch mit einer von der kreisförmigen Form abweichenden Form ausgebildet werden kann und beispielsweise eine eliptische Form aufweisen kann. Die Größe des in der Radscheibe ausgebildeten Loches ist wiederum eine Funktion der Wirtschaftlichkeit als auch der synamischen Eigenschaften. Kreisrunde Löcher können leichter ausgebildet werden als nicht kreisförmige Löcher und bei der Auswahl der Form und Größe der Löcher muß mit Sorgfalt vorgegangen werden, damit sie

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der Spannungs- und Beanspruchungskonzentration an den Kissen widerstehen können.

Wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, schließt das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Rotors weiterhin eine Abdeckung 50 aus dünnem Material wie z.B. aus Unterlegscheibenmaterial ein, die über der Stirnfläche des Bimetallrotors angeordnet ist, um die Beanspruchungs-Entlastungsausnehmungen 32 und die Löcher 3¹J- abzudecken. Diese Abdeckung ist zur Verringerung von Luftreibungsverlust-Drehmomenten auf den rotierenden Rotor vorgesehen, so daß die RotorantriebsIeistung verringert wird. Alternativ kann der durch den rotierenden Kreisel hervorgerufene Luftreibungsverlust auch dadurch verhindert werden, daß die Ausnehmungen 32 und die Löcher J>K mit einem geeigneten elastischen Material gefüllt werden. Die Abdeckung 50 ist in Fig. J)A aus Gründen der Klarheit fortgelassen.

Obwohl bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3A die Spannungs- oder Beanspruchungs-Entlastungsausnehmungen 32 durch maschinelle Bearbeitung des Innendurchmessers des iürägheitskranzes 15 hergestellt werden, ist es verständlich, daß gemäß dem abgeänderten Rotor 13' nach Fig. 3-B auch der Außenumfang der Radscheibe 16' maschinell bearbeitet werden kann, um Ausnehmungen 32' zur Bildung von Kissen 31' zu. erzeugen, wobei Löcher J>V in den Radscheiben 16 in radialer Ausrichtung mit den Kissen 31' gebohrt sind. In diesem Fall ist der Trägheitskranz 15' ohne Ausnehmungen ausgebildet. Alternativ kann der Durchmesser des Außenumfanges der Radscheibe 16' einfach verringert werden, so daß die Kissen 31' an den ursprünglichen Durehmessern verbleiben.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. C u rt Wal lach

Dipl.-Ing. Günther Koch

2828929 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: J)O. Juni 1978

Unser Zeichen: \ß 259 "

Patentansprüche :

1./Rotor für Kreiselgeräte, der um eine Achse drehbar ist und einen Trägheitskranz und eine Radscheibe zur Aufnahme von Lagereinrichtungen zur Lagerung des Trägheitskranzes und zur Befestigung des Rotors für eine Drehung um die Achse umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von unter gleichen Winkelabständen angeordneten Spannungskonzentrationseinrichtungen {J>2, J>J>, 354) vorgesehen ist, die eine Anzahl von Trägheitskranz-Halterungsgrenzflachen zwischen den Trägheitskranz (I5) und der Radscheibe (16) bilden, und daß die Radscheibe (l6) darin ausgebildete Löcher (354, 34') aufweist, die in Rad la 1-richtung gegenüberliegend zu jeder Spannungskonzentrationseinrichtung angeordnet sind, um die Lagereinrichtungen gegenüber Spannungen und Beanspruchungen zu isolieren, die in der Radscheibe (l6) durch den Trägheitskranz (15) hervorgerufen werden.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennze lehnet , daß die Spannungskonzentrationseinrichtungen (j5j5) Spannungsentlastungs-Ausnehmungen (352) einschließen, die in dem Trägheitskranz (15) ausgebildet sind und zwischen sich sich radial erstreckende Materialkissen umgrenzen.

3. Rotor nach Anbruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungskonzentrat ionse inr ichtung>"X33) Spannungs-

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ent las tungs-Ausnehmungen (j52') einschließen, die in der Radscheibe (16) ausgebildet sind und zwischen sichsich in Radialrichtung erstreckende Materialkissen umgrenzen.

k. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungskonzentrationseinrichtungen Spannungskonzentrationskissen (^3) einschließen, die zwischen dem Trägheitskranz (15) und der Radscheibe (16) angeordnet sind.

5. Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennze lehnet, daß zwei mit Axialabstand angeordnete Radscheiben (16), jeweils eine an einer Endfläche des Trägheitskranzes (I5) angeordnet sind, daß kreisringförmige Spannungsentlastungs-Ausnehmungen (32) auf beiden Endflächen des Trägheitskranzes (15) angeordnet sind und daß die Materialkissen (33) an einer Endfläche des Trägheitskranzes um die Achse herum winkelmäßig zwischen den Materialkissen auf der anderen Endfläche des Trägheitskranzes angeordnet sind.

6. Rotor nach Anspruch 5* dadurch gekennze lehnet , daß die in der Radscheibe (16) ausgebildeten Löcher (34) kreisförmig sind.

7. Bimetall-Rotorbaugruppe für Kreiselgeräte, die um eine Achse in Drehung versetzbar ist und ein allgemein zylindrisches Trägheitskranzelement aus einem Material mit hoher Dichte und einem ersten thermischen Dehnungskoeffizienten,

ein allgemein ebenes kreisfSrmiges Radscheibenelement, das aus einem Material mit relativ niedrigerer Dichte und ntt einem zweiten relativ höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Trägheitskranzelement hergestellt ist, und in dem Radscheibenelement angeordnete Lagereinrichtungen zur Lagerung der Rotorbaugruppe zur Drehung um die Achse umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß Grenzflächeneinrichtungen (3I) zwischen dem Trägheitskranzelement (15) und dem Radscheiben-

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element (1β) vorgesehen sind, um das Trägheitskranzelement (15) und das Radscheibenelement (16) mechanisch über einen Betriebstemperaturbereich einstückig zu halten, daß die Grenzflächeneinrichtungen (3I) eine Anzahl von unter Winkelabständen angeordneten Grenzflächenkissen (33) einschließen, die an einem der Elemente (15, 16) ausgebildet sind und die durch Entfernen von Material zwischen den Kissen gebildet sind, daß die Kissen (33) durch thermische Ausdehnung der Elemente (15* 16) an den Kissen hervorgerufene Spannungskräfte konzentrieren und daß eine entsprechende Anzahl von unter Winkelabständen verteilten Löchern (34, 34¹) in dem Radscheibenelement (16) in radialer Ausrichtung mit den Kissen derart angeordnet ist, daß die Löcher (34, 34') die Spannungskräfte in Richtung auf die benachbarten Kissen (33) und von den Lagereinrichtungen (I7) fort umlenken, so daß eine Verformung der Lagereinrichtungen (I7) über den Betriebstemperaturbereich verhindert ist.

8. Rotorbaugruppe nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß ein Innendurchmesser des Trägheitskranzelementes (15) weggeschnitten ist, um eine Anzahl von bogenförmigen Ausnehmungen (32) zu bilden, die zwischen sich die Kissen (33) umgrenzen, die sich in Radialrichtung nach innen bezüglich der Achse (14) erstrecken.

9. Rotorbaugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Außendurchmesser des Radscheibenelementes (16) fortgeschnitten ist, um eine Anzahl von Ausnehmungen (32^T) zu bilden, die zwischen sieh die Kissen bilden, die sich in Radialrichtung bezüglich der Achse

(14) nach außen erstrecken.

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