Magnetisch, praktisch reibungslos gelagerte, bezüglich Drehung um ihre Längsachse in indifferentem Gleichgewicht befindliche Systemachse In neuerer Zeit sind reibungsarm gelagerte Ach sen für Messinstrumente oder Steuergeräte bekannt geworden, welche einseitig an einem Torsionsfaden aufgehängt sind und deren freies Ende sich in einem inhomogenen Magnetfeld befindet, welches bewirkt, dass der Torsionsfaden gestreckt und die Achse je nach ihrer Richtung zum Lot und<B>je</B> nach der jewei ligen Belastung mehr oder weniger genau zentriert wird.
Diese Achsen sind wegen der einseitigen Auf hängung am Torsionsfaden bezüglich Drehung um ihre Längsachse in einem stabilen Gleichgewicht, das heisst, um sie um den Winkel T um ihre Längsachse zu verdrehen, ist ein Drehmoment erforderlich, das in erster Näherung die Grösse M,1 <B><I>=</I></B><I> K<B>-</B></I> (p <B><I>+</I></B><I> R</I> hat.
Die Konstante K ist vom Torsionsfaden ab hängig und wird durch dessen Material, Querschnitt, Länge, Zugspannung usw. bestimmt, während das Glied R ein hystereseartig wirkendes Reibungsdreh moment bedeutet, welches aus der inneren Reibung des Torsionsfadens resultiert und welches meistens vernachlässigt werden kann.
Derartig aufgehängte Achsen eignen sich z. B für elektromagnetische Messgeräte oder für Geräte, welche Drehmomente in Drehwinkel umwandeln.
Stellt sich jedoch die Aufgabe, an einem beweg lichen Gehäuse oder Tragglied ein Pendel so aufzu hängen, dass dieses bei einer Bewegung des Ge häuses oder Traggliedes mit möglichst geringen<B>Ab-</B> weichungen in der Schwingungsebene stets lotrecht steht, sind solchermassen aufgehängte Achsen nicht zu verwenden, weil aus einer Winkeländerung der Drehachse stets ein Drehmoment resultiert, welches in diesem Falle das Pendel aus seiner vertikalen Lage hebt. Dieser Mangel wird durch die vorliegende Erfindung behoben.
Gegenstand der Erfindung ist eine magnetisch, praktisch reibungslos gelagerte, bezüglich Drehung um ihre Längsachse in indifferentem Gleichgewicht befindliche Systemachse, welche dadurch gekenn zeichnet ist, dass die aus magnetisch hochdurchlässi gem Material bestehendem, mindestens angenähert hori zontal gerichtete Achse auf beiden Seiten zu ihrer Längsachse koaxiale, verjüngte Enden besitzt und in einem durch einen Magneten mit gegeneinander- gerichteten, verjüngten Polschuhen erzeugten, inhomo- genen Magnetfeld schwebend gehalten ist.
Praktisch wird hierbei das eine verjüngte Ende der Achse in Punktberührung mit dem ihm zugeord neten verjüngten Polschuh des Magneten stehen, während das andere verjüngte Ende der Achse in möglichst kleinem Abstand von dem ihm zugeord neten Polschuh des Magneten liegt.
Eine solchermassen magnetisch, praktisch rei bungslos gelagerte, bezüglich Drehung um ihre Längs achse in indifferentern Gleichgewicht befindliche Systemachse eignet sich für viele Präzisionsinstra- mente und ist z. B. als Pendelachse verwendbar.
Das für die Drehung einer solchen Systemachse erforderliche Drehmoment beträgt in erster Näherung Md <B><I>=</I></B><I> R,</I> wobei R ein praktisch konstanter, sehr kleiner Wert ist, welcher von der Gestaltgebung und der Material beschaffenheit der das Achssystern bildenden Teile und der Grösse des Spieles zwischen dem freien Achsende und dem diesem zugeordneten Polschuh abhängig ist.
In der Zeichnung sind eine beispielsweise Aus führungsform des Erfindungsgegenstandes und eine Ausführungsvariante desselben schematisch darge stellt und an Hand weiterer Figuren das Bewegungs- und Kräftespiel veranschaulicht.
Fig. <B>1</B> ist eine Ansicht einer magnetisch, praktisch reibungslos gelagerten, bezüglich Drehung um ihre Längsachse in indifferentem Gleichgewicht befind lichen Systernachse.
Fig. 2 zeigt in grösserem Massstab und bei etwas veränderten Abmessungen das Bewegungs- und Kräfte spiel einer solchen Systernachse, wenn die störende Wirkung ihres Gewichtes nicht aufgehoben ist.
Fig. <B>3</B> zeigt die Lage der Systemachse nach Fig. 2, wenn die störende Wirkung ihres Gewichtes auf- orehoben ist, bei Annahme vollständiger Reibungs- C losigkeit. Fig. 4 zeigt das Bewegungs- und Kräftespiel dieser Systemachse bei Berücksichtigung der Reibung zwi- sehen dem einen verjüngten Ende der Systemachse und dem von diesem berührten Polschuh des Ma gneten.
Fig. <B>5</B> zeigt eine Ausführungsvariante der magne tisch, praktisch reibungslos gelagerten, bezüglich Dre- huno, um ihre Längsachse in indifferentem Gleich- or <B>W</B> ,le icht befindlichen Systemachse mit Andeutung des bezüglichen Bewegungs- und Kräftespieles.
In Fig. <B>1</B> ist mit<B>1</B> ein in einem nicht dargestellten Gehäuse oder Träger fest gelagerter Hufeisenmagnet bezeichnet, welcher zwei koaxiale Polschuhe 2 und<B>3</B> mit gegeneinandergerichteten, verjüngten Enden be sitzt. Zwischen den verjüngten Enden der Polschuhe 2 und<B>3</B> ist eine rotationssymmetrische Achse 4 aus magnetisch hochdurchlässigem Material schwebend gehalten, welche Achse 4 verjüngte Enden<B>5</B> und<B>6</B> besitzt. Das eine verjüngte Ende der Achse 4, im dargestellten Fall das Ende<B>5,</B> berührt das ihm zu geordnete verjüngte Ende des Polschuhes 2, während ihr anderes verjüngtes Ende<B>6</B> durch einen möglichst kleinen Zwischenraum s vom Polschuh<B>3</B> getrennt ist.
Durch die radial inhomogenen Magnetkräfte in den senkrecht zur Verbindungsgeraden der verjüngten Enden der Polschuhe 2 und<B>3</B> stehenden Schnitt ebenen durch die Polschuhe 2 und<B>3</B> und die senk recht nach unten wirkende Gewichtskomponente <B>G</B> der Achse 4 werden die verjüngten Enden<B>5</B> und<B>6</B> der Achse 4 gegenüber der Verbindungsgeraden der verjüngten Enden der Polschuhe 2 und<B>3</B> in eine praktisch stabile Gleichgewichtslage gebracht, wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist.
Da nach Fig. 2 der Be rührungspunkt<B>7</B> der Achse 4 nicht auf ihrer Längs achse<B>5-6</B> liegt, erhält man für den Fall, wo die Haft reibung im Berührungspunkt<B>7</B> nicht überschritten wird, ein stabilisierendes Moment der Grösse
EMI0002.0037
wobei (p der Drehwinkel der Achse 4 ist. Wird jedoch die Haftreibung im Berührungspunkt<B>7</B> überschritten, so tritt eine Nullpunktverschiebung dieses stabilisie renden Momentes Mt,b auf, welche sich scheinbar als hystereseartiger Störfaktor bemerkbar macht. Um diese Störung ausschalten zu können, muss der Radius <I>r.</I> auf Null gebracht werden. Dies gelingt dann, wenn z.
B. das Gewicht<B>G</B> der Achse 4 aufgehoben wird. Zu diesem Zwecke kann der Magnet<B>1,</B> wie in Fig. <B>1</B> dargestellt, z. B. mit zwei Streupolen<B>8</B> und<B>9</B> aus gerüstet sein, welche so dimensioniert und angeord net sind, dass die Summe der von ihnen auf die Achse 4 ausgeübten Kräfte B, und Bg dem Gewicht <B><I>G</I></B> der Achse entspricht. Die Achse 4 stellt sich in diesem Fall nach Fig. <B>3</B> ein, falls an der Berührungs stelle des verjüngten Endes<B>5</B> der Achse 4 am ver jüngten Ende des Polschuhes 2 keine Reibungskräfte wirken.
Wird jedoch auch die Reibung berücksichtigt, so ergibt sich nach Fig. 4, dass sich das am verjüngten Ende des Polschuhes 2 anliegende verjüngte Ende <B>5</B> der Achse 4 auf einem Kreis mit dem Radius<B>t%</B> im indifferenten Gleichgewicht aufhalten kann. Die ser Radius r3 ist abhängig von den Polmateri.ilien, von der Formgebuno, der Polschuhe und vom Rei- bungskaeffizienten zwischen den sich berührenden Flächen.
Störend an dieser unstabilen Lage ist jedoch nur der Radius rj, welcher ausser vom Radius r. noch vom Radius r. abhängig ist, nach ri = t.- (a + fl) <B>- r,</B> Dieser Radius ri wird erfahrungsgemäss so klein, dass er für die meisten Anforderungen nicht berücksich tigt zu werden braucht.
Soll jedoch das Achssystem noch höheren Anfor derungen zu genügen vermögen, so kann die Achse 4 vor jeder Inbetriebnahme durch eine besondere Vor richtung zentriert werden. Zu diesem Zwecke sind, wie aus Fig. <B>1</B> ersichtlich ist, auf zwei im Gehäuse oder Träger fest angeordneten Achsen<B>10</B> und<B>11</B> zwei Winkelhebel 12 und<B>13</B> gelagert, deren eine Schenkel<B>je</B> eine Bohrung zur Aufnahme<B>je</B> eines der verjüngten Enden<B>5</B> bzw. <B>6</B> der Achse 4 besitzen. In Ruhestellung, wenn die Achse 4 nicht durch die Winkelhebel 12 und<B>13</B> gehalten und zentriert ist, liegen die anderen Schenkel dieser Winkelhebel 12 und<B>13</B> an<B>je</B> einem Anschlag 14 bzw. <B>15</B> an.
Durch Zug Z auf die Enden der an den Anschlägen 14 bzw. <B>15</B> anliegenden Schenkel der Winkelhebel 12 und<B>13</B> kommen die Bohrungen in den anderen Schenkeln der Winkelhebel 12 und<B>13</B> auf die verjüngten Enden <B>5</B> bzw. <B>6</B> der Achse 4 zu liegen, welch letztere dadurch zentriert wird. Damit die Verschwenkungswege der beiden Winkelhebel 12 und<B>13</B> unter Kontrolle ge halten werden können, sind noch zwei weitere, ein stellbare Anschläge<B>16</B> und<B>17</B> vorgesehen.
Eine weitere Möglichkeit, den störenden Radius 1*1 kleiner zu machen, ist in Fig. <B>5</B> dargestellt. Hier bei sind auf die verjüngten Enden der Polschuhe 2 und<B>3</B> Kappen<B>18</B> aus magnetisch möglichst wenig isolierendem Material grosser Härte, z. B. künst lichem Saphir, mit plangeschliffenen, polierten End- flächen <B>19</B> aufgekittet. Die Dicke<B>d</B> dieser Kappen <B>18</B> an den Spitzen der verjüngten Enden der Pol schuhe 2 und<B>3</B> ist möglichst klein gehalten, damit die maximale Feldstärke nicht zu stark beeinträch tigt wird.
Der Radius r, ist wieder durch den Winkel und den Radius r. bedingt, nach <I>r,</I><B>=</B> r., <B>-</B> tg a.
Durch Reduktion des Spieles s zwischen dem ver <B>'</B> jüng- ten Ende der Achse 4 und dem verjüngten Ende des Polschuhes<B>3</B> bzw. der dieses überdeckenden Kappe <B>18</B> kann aber der Winkel a sehr klein gehalten wer den. Ferner bewirkt die radiale Zunahme der Dicke der Kappen<B>18,</B> dass die Feldstärke nach aussen rascher abfällt, das heisst, dass das magnetische Feld besser zentriert ist, als wenn keine solchen Kappen <B>18</B> vorgesehen sind.
Wird auf die Richtungsstabilität der Systemachse kein grosser Wert gelegt, so kann der Radius r, auch dadurch verkleinert werden, dass die Kuppen der Pol- sch#uhe 2 und<B>3</B> im Bereich des Radius <I>r<B>=</B> r2</I> tg fl (Fig. 4.) einen genügend grossen Radius r.', im Ex tremfall cc, erhalten.
Zweckmässigerweise wird man diesen Radius r ein wenig grösser machen als <I>r2<B>-</B></I> tg fl- Wird die beschriebene Systemachse für transpor table Instrumente oder Geräte verwendet, so werden die verjüngten Enden<B>5</B> und<B>6</B> der Achse 4 zweck mässig mit Spitzen<B>5'</B> bzw. <B>6'</B> aus besonders hartem Material, das aber den Magnetfluss nicht oder nur in ganz geringem Masse beeinflusst, bestückt, damit diese verjüngten Enden<B>5</B> und<B>6</B> durch beim Transport auftretende Stösse oder Schläge nicht zerstört werden.
Wolframkarbid hat sich als geeignetes Material für diese Spitzen<B>5'</B> und<B>6'</B> erwiesen. Gegebenenfalls kön nen auch die verjüngten Enden der Polschuhe 2 und<B>3</B> mit derartigen Spitzen T und<B>3'</B> versehen wer den.
Die beschriebene, magnetisch, praktisch reibungs los gelagerte, bezüglich Drehung um ihre Längsachse in indifferentem Gleichgewicht befindliche System achse kann aus naheliegenden Gründen nur in hori zontaler oder angenähert horizontaler Lage verwen det werden.
Magnetic, practically frictionlessly mounted system axis in indifferent equilibrium with respect to rotation about its longitudinal axis. Recently, low-friction mounted axes for measuring instruments or control devices have become known which are suspended on one side of a torsion thread and whose free end is located in an inhomogeneous magnetic field, which causes the torsion thread to be stretched and the axis is centered more or less precisely depending on its direction to the perpendicular and <B> depending </B> according to the respective load.
Because of the one-sided suspension on the torsion thread, these axes are in a stable equilibrium with respect to rotation about their longitudinal axis, that is, to rotate them by the angle T about their longitudinal axis, a torque is required which, as a first approximation, equals M, 1 < B> <I> = </I> </B> <I> K <B> - </B> </I> (p <B><I>+</I></B> <I> R </I> has.
The constant K depends on the torsion thread and is determined by its material, cross-section, length, tensile stress, etc., while the link R means a hysteresis-like frictional torque, which results from the internal friction of the torsion thread and which can usually be neglected.
Such suspended axes are suitable for. B for electromagnetic measuring devices or for devices that convert torques into angles of rotation.
If, however, the task arises of hanging a pendulum on a movable housing or support member in such a way that when the housing or support member moves, it is always perpendicular with the smallest possible deviations in the plane of oscillation Axles suspended in this way should not be used, because a change in the angle of the axis of rotation always results in a torque which in this case lifts the pendulum out of its vertical position. This deficiency is remedied by the present invention.
The subject of the invention is a magnetically, practically frictionlessly mounted system axis which is in indifferent equilibrium with respect to rotation about its longitudinal axis, which is characterized in that the axis made of magnetically highly permeable material, at least approximately horizontally oriented, is coaxial on both sides to its longitudinal axis , has tapered ends and is held floating in an inhomogeneous magnetic field generated by a magnet with tapered pole pieces directed towards one another.
In practice, one tapered end of the axis is in point contact with the tapered pole piece of the magnet associated with it, while the other tapered end of the axis is as close as possible to the magnet's associated pole piece.
Such a magnetically, practically frictionlessly supported system axis that is in indifferent equilibrium with respect to rotation about its longitudinal axis is suitable for many precision instruments and B. can be used as a swing axle.
The torque required for the rotation of such a system axis is in a first approximation Md <B><I>=</I></B> <I> R, </I> where R is a practically constant, very small value, which depends on the design and the material properties of the parts forming the axle system and the size of the play between the free axle end and the pole piece assigned to it.
In the drawing, an example of implementation of the subject matter of the invention and an embodiment variant of the same are schematically Darge and illustrated with the aid of further figures, the play of movement and forces.
Fig. 1 is a view of a magnetically, practically frictionlessly mounted system axis which is in indifferent equilibrium with respect to rotation about its longitudinal axis.
Fig. 2 shows on a larger scale and with slightly changed dimensions, the movement and forces play of such a system axis when the disruptive effect of its weight is not canceled.
FIG. 3 shows the position of the system axis according to FIG. 2 when the disruptive effect of its weight is eliminated, assuming complete freedom from friction. 4 shows the play of movement and forces of this system axis, taking into account the friction between the one tapered end of the system axis and the pole piece of the magnet that is in contact with it.
Fig. 5 shows a variant of the magnetically, practically frictionlessly mounted system axis with an indication of the rotational axis around its longitudinal axis in indifferent constant or <B> W </B> related movement and power play.
In Fig. 1, <B> 1 </B> denotes a horseshoe magnet which is fixedly mounted in a housing or carrier (not shown) and which has two coaxial pole shoes 2 and 3 facing each other , tapered ends. A rotationally symmetrical axis 4 made of magnetically highly permeable material is held floating between the tapered ends of the pole shoes 2 and <B> 3 </B>, which axis 4 has tapered ends <B> 5 </B> and <B> 6 </B> owns. One tapered end of the axle 4, in the illustrated case the end <B> 5, </B> touches the tapered end of the pole piece 2 assigned to it, while its other tapered end <B> 6 </B> touches the smallest possible end Space s is separated from the pole piece <B> 3 </B>.
Due to the radially inhomogeneous magnetic forces in the section planes perpendicular to the straight line connecting the tapered ends of the pole shoes 2 and 3 through the pole shoes 2 and 3 and the weight component acting vertically downwards B> G </B> of the axis 4 are the tapered ends <B> 5 </B> and <B> 6 </B> of the axis 4 opposite the straight line connecting the tapered ends of the pole shoes 2 and <B> 3 </ B> brought into a practically stable equilibrium position, as can be seen from FIG.
Since, according to FIG. 2, the point of contact <B> 7 </B> of the axis 4 is not on its longitudinal axis <B> 5-6 </B>, one obtains for the case where the static friction at the point of contact <B > 7 </B> is not exceeded, a stabilizing moment of size
EMI0002.0037
where (p is the angle of rotation of axis 4. However, if the static friction at the contact point <B> 7 </B> is exceeded, a zero point shift of this stabilizing moment Mt, b occurs, which apparently becomes noticeable as a hysteresis-like disruptive factor To be able to switch off the disturbance, the radius <I> r. </I> must be brought to zero.
B. the weight <B> G </B> of the axis 4 is lifted. For this purpose, the magnet <B> 1 </B> as shown in FIG. 1, z. B. be equipped with two scattering poles <B> 8 </B> and <B> 9 </B>, which are dimensioned and arranged so that the sum of the forces B and Bg exerted by them on the axis 4 corresponds to the weight <B><I>G</I> </B> of the axis. The axis 4 is in this case according to Fig. 3, if at the point of contact of the tapered end <B> 5 </B> of the axis 4 at the ver tapered end of the pole piece 2 no frictional forces act .
However, if the friction is also taken into account, then according to FIG. 4 the result is that the tapered end <B> 5 </B> of the axis 4 resting on the tapered end of the pole piece 2 is on a circle with the radius <B> t% < / B> can stay in indifferent equilibrium. This radius r3 depends on the pole material, the shape, the pole pieces and the coefficient of friction between the contacting surfaces.
The only problem with this unstable position is the radius rj, which apart from the radius r. still from the radius r. is dependent, according to ri = t.- (a + fl) <B> - r, </B> Experience shows that this radius ri is so small that it does not need to be taken into account for most requirements.
However, if the axis system is to be able to meet even higher requirements, the axis 4 can be centered by a special device before each start-up. For this purpose, as can be seen from FIG. 1, there are two angled levers 12 and 12 on two axles 10 and 11 fixedly arranged in the housing or carrier <B> 13 </B>, one leg of which <B> each </B> has a hole for receiving <B> each </B> one of the tapered ends <B> 5 </B> or <B> 6 of the axis 4. In the rest position, when the axis 4 is not held and centered by the angled levers 12 and 13, the other legs of these angled levers 12 and 13 each rest on > a stop 14 or <B> 15 </B>.
By pulling Z on the ends of the limbs of the angle levers 12 and <B> 13 </B> resting on the stops 14 or <B> 15 </B>, the bores are made in the other limbs of the angle levers 12 and <B> 13 </B> to lie on the tapered ends <B> 5 </B> or <B> 6 </B> of the axis 4, which latter is thereby centered. So that the pivoting paths of the two angle levers 12 and 13 can be kept under control, two further adjustable stops 16 and 17 are provided.
Another possibility of making the disturbing radius 1 * 1 smaller is shown in FIG. 5. Here at are on the tapered ends of the pole shoes 2 and <B> 3 </B> caps <B> 18 </B> made of magnetically as little insulating material of great hardness as possible, e.g. B. artificial sapphire, with flat ground, polished end surfaces <B> 19 </B> cemented on. The thickness <B> d </B> of these caps <B> 18 </B> at the tips of the tapered ends of the pole shoes 2 and <B> 3 </B> is kept as small as possible so that the maximum field strength is not too is severely affected.
The radius r is again given by the angle and the radius r. conditional, according to <I>r,</I> <B> = </B> r., <B> - </B> tg a.
By reducing the play s between the youngest end of the axle 4 and the tapered end of the pole shoe 3 or the cap 18 covering it > But the angle a can be kept very small. Furthermore, the radial increase in the thickness of the caps <B> 18, </B> causes the field strength to drop more rapidly towards the outside, which means that the magnetic field is better centered than if there were no such caps <B> 18 </B> are provided.
If no great value is placed on the directional stability of the system axis, the radius r can also be reduced in that the tips of the pole pieces 2 and <B> 3 </B> are in the area of the radius <I> r < B> = </B> r2 </I> tg fl (Fig. 4.) a sufficiently large radius r. ', In the extreme case cc.
Appropriately, this radius r will be made a little larger than <I>r2<B>-</B> </I> tg fl- If the system axis described is used for transportable instruments or devices, the tapered ends are <B> 5 </B> and <B> 6 </B> of the axis 4 appropriately with tips <B> 5 '</B> or <B> 6' </B> made of a particularly hard material, which, however, has the magnetic flux not influenced or only to a very small extent, equipped so that these tapered ends <B> 5 </B> and <B> 6 </B> are not destroyed by bumps or blows occurring during transport.
Tungsten carbide has proven to be a suitable material for these <B> 5 '</B> and <B> 6' </B> tips. If necessary, the tapered ends of the pole shoes 2 and <B> 3 </B> can also be provided with such tips T and <B> 3 '</B>.
The described, magnetically, practically smoothly stored, with respect to rotation about its longitudinal axis in indifferent equilibrium system axis can be used for obvious reasons only in a hori zontal or approximately horizontal position.