Kreiselgerät
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kreiselgerät. Dieses soll hohe Genauigkeit und geringe Drift (Abwandern der Kreiselachse) aufweisen.
Einer der Hauptzwecke der Erfindung besteht in der Schaffung einer drehbaren Rotoraufhängung , welche Gaslager verwendet, um sich die sehr geringe Haftreibung solcher Lager zu Nutze zu machen. Un ter drehbarer Rotoraufhängung ist irgendeine Halterungsvorrichtung zu verstehen-ob nun in der Form üblicher Kardanringe oder eines inneren Kreuzgelen kes, oder ! r irgendeiner anderen Form -, welche den Rotor vom Hauptrahmen aus haltert, und zwar derart, dass die Rotorachse mindestens zwei Freiheitsgrade bezüglich des Hauptrahmens aufweist.
In den vergangenen Jahren hat man allgemein erkannt, dass Luftlager (oder Gaslager, welche Wasser- stoff, Stickstoff, Helium oder andere Gase verwenden) praktisch keine Haftreibung und nur eine sehr geringe innere Reibung aufweisen. Es sind bereits zahlreiche Vorschläge zur Verwendung von Gaslagern in den Rotorlagern oder in den Kardanlagern von Kreiselgeräten gemacht worden. Zur Erzielung von Bestresultaten in den Kreiselgeräten mit sehr geringer Drift haben sich Versuche mit Gaslagern aus zwei Gründen als erfolglos erwiesen. Erstens hat ein Gaslager, obwohl es praktisch keine Haftreibung und einen niedrigen Koeffizienten viskoser Reibung aufweist, den Nachteil, dauernd ein Drehmoment oder eine Kraft in einer Richtung zu erzeugen.
Für die Verwendung in einem Kardanlager eines Kreiselgerätes erweist sich die genannte Dauerkraft als noch abträglicher als grosse Koeffizienten der inneren Rei-- bung. Zweitens haben Messungen an verschiedenen Typen von Kreiselgeräten mit geringer Drift gezeigt, dass in hochqualitativen Kreiselgeräten mit geringer Drift, wie sie nun in Trägheitssteuerungssystemen (Inertialsystemen) verwendet werden, die Hauptfehler nicht durch Reibung in den Kardanlagern entstehen, sondern vielmehr durch anisoelastische Effekte und durch thermische Effekte, die sich durch die Erwär mung des Motors und der Rotorlager ergeben.
Unter Isoelastizität ist ist diejenige Eigenschaft einer Aufhänge- oder Halterungsvorrichtung zu verstehen, welche in allen Richtungen konstante elastische Eigenschaften gewährleistet.
Das erfindungsgemässe Kreiselgerät, in welchem der Rotor an einem drehbaren Rahmen gehaltert ist, gegenüber welchem der Rotor mit zwei Freiheitsgraden rotieren kann, ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Lagerung des Rotors ein Gas verwendet ist, wobei eine Anzahl von symmetrisch zu einem Punkt angeordnete Gaslagervorrichtungen vorhanden sind, die mit dem genannten Rahmen in Verbindung stehen, und dass Mittel zum Anschliessen einer Gasquelle an den Rahmen vorhanden sind.
Durch den Umstand, dass die Aufhängung, d. h. der Rahmen selbst drehbar ist, wird bei Rotation desselben dauernd eine Drehung der Richtung des permanenten, durch die Gaslagen erzeugten Drehmomentes erreicht, wodurch die Wirkung des genannten Dreh momentes bezüglich ; der Drift des Kreiselgerätes neu- tralisiert wird. Obwohl die genannte Drehung mit einer Geschwindigkeit erfolgen kann, die beträchtlich kleiner ist als die Drehgeschwindigkeit des Rotors, wird bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der : Er- findung die genannte Drehung im Synchronismus mit der Drehgeschwindigkeit des Rotors durchgeführt, wodurch sich eine Vereinfachung der Konstruktion erzielen lässt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Perspektivansicht bzw. einen Schnitt eines Kreiselgerätes mit Gaslagern, welches einen einfachen sphärischen Rotor und sechs Gaslagerungsstutzen verwendet.
Die Fig. 3 zeigt schematisch ein mit Hilfe eines Kreiselgerätes stabilisiertes System, welches ein Kreiselgerät gemäss den Fig. 1 und 2 verwendet, bei welchem keine Gasevakuation zur Anwendung gelangt.
Die Fig. 4 zeigt ein Gaslager, wie es in den Fig. 2 und 5 verwendet wird, im Schnitt in Perspektivansicht.
Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Perspektivansicht bzw. einen Schnitt eines Kreiselgerätes, welches einen Aussenrotor aufweist, welcher von der zentralen Kugel durch vier Stäbe getragen wird, wobei das Kreiselgerät einen Zwischenrahmen aufweist, welcher vier Gaslagerungsstutzen einfacher Konstruktion gemäss Fig. 4 enthält.
Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Perspektivansicht bzw. eine Schnittansicht eines Kreiselgerätes mit Aussenrotor, welcher durch acht Stäbe getragen wird, wobei das Kreiselgerät sechs Gaslagerzapfen mit einem einzelnen Evakuationsring aufweist.
Die Fig. 9 und 10 zeigen eine Perspektivansicht bzw. eine Schnittansicht eines Kreiselgerätes mit Aussenrotor, welcher von sechs Stäben getragen wird, wobei der Zwischenrahmen aus einem gasdichten Gehäuse besteht, innerhalb welchem acht Gaslagerungsstutzen mit doppeltem Evakuationsring vorhanden sind.
Die Fig. 11 zeigt in Perspektivansicht einen angeschnittenen Gaslagerungsstutzen mit einem einzelnen Evakuationsring, wie er im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 7 und 8 zur Anwendung gelangt.
Die Fig. 12 zeigt eine Endansicht eines Lagerungsstutzens mit einem einzelnen Evakuationsring mit einer möglichen Anordnung der Speiseöffnungen.
Die Fig. 13 zeigt schematisch ein durch ein Kreiselgerät stabilisiertes System, wobei das Kreiselgerät Lagerungsstutzen mit einem einzelnen Evakuationsring gemäss der in Fig. 11 gezeigten Art verwendet, wobei der Zwischenrahmen aus einem gasdichten Gehäuse besteht, welches ebenfalls evakuiert ist.
Die Fig. 14 zeigt in Perspektivansicht den Schnitt durch einen Gaslagerungsstutzen mit doppeltem Evakuationsring, wie er im Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 und 10 zur Verwendung gelangt.
Die Fig. 15 zeigt eine Endansicht des in der Fig. 14 dargestellten Lagerungszapfens mit doppeltem Evakuationsring mit einer möglichen Anordnung der Speiseöffnungen.
Die Fig. 16 zeigt schematisch ein durch ein Kreiselgerät stabilisiertes System, wobei das Kreiselgerät Lagerungsstutzen mit doppeltem Evakuationsring von der in der Fig. 14 gezeigten Art verwendet, und wobei der Zwischenrahmen aus einem gasdichten Ge häuse e besteht, welches ebenfalls evakuiert ist.
Die Fig. 17 zeigt in Perspektivansicht eine Ausführungsform eines Kreiselgerätsystems mit Aussenrotor, welche in konstruktiver Hinsicht Vorteile bietet, wobei vier flache Speichen den Rotor von der zentralen Kugel aus haltern, und wobei weiter acht Gaslagerungsstutzen verwendet werden, um die zentrale Kugel zu haltern.
Die Fig. 18 zeigt im Schnitt das in der Fig. 17 dargestellte Kreiselgerät mit weiteren Einzelheiten, und zwar insofern, als der Zwischenrahmen wie ersichtlich auf Kugellagern in einem stationären Hauptrahmen gelagert ist.
Die Fig. 19 zeigt schematisch ein Kreiselgerät, dessen drehbare Rotoraufhängung aus einem üblichen Satz von Kardanringen besteht.
Die Fig. 20 zeigt schematisch ein Kreiselgerät, dessen drehbare Rotoraufhängung praktisch einem Satz von üblichen Kardanringen gleichwertig ist, wobei der Rotor jedoch die Kardanringe umgibt, um das Trägheitsmoment des Rotors bezüglich desjenigen der Kardanringe zu erhöhen.
Die Fig. 21 zeigt schematisch ein Kreiselgerät, dessen drehbare Rotoraufhängung die Form eines Kreuzgelenkes mit vier zylindrischen Gaslagern an Stelle eines sphärischen Gaslagers aufweist.
Die Fig. 22 und 23 zeigen schliesslich Endansich- ten zweier Lagerzapfen zur Illustration zweier weite rer Arten der r Anordnung der Speiseöffnungen und der Gasverteilung.
In den Fig. 1 und 2 besteht der Rotor 1 aus einem sphärischen Gebilde mit t zwei zylindrischen Hohl- räumen 2 an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen, wodurch für den Rotor eine Vorzugsdrehachse festgelegt ist, um welche das Trägheitsmoment ein Maximum ist. Der Rotor 1 welcher vorzugsweise aus irgendeinem sehr stabilen Stoff, wie beispielsweise aus Quarz oder aus irgendeinem anderen Stoff hoher Dichte, besteht und vorzugsweise hohl ist zwecks Erzielung eines optimalen Dralls oder Drehimpulses für die verwendete Masse, weist eine sehr genaue äussere sphärische Form und einen hochqualitativen äusseren Finish auf, so dass er als Lageroberfläche wirken kann, welche mit den genau sphärischen Endflächen der Gaslagerungsstutzen 3 zusammenwirkt.
Die sechs Gaslagerungsstutzen 3, welche aus hohlen Zylindern gemäss Fig. 4 bestehen, erstrecken sich von einem Zwischenrahmen 4 aus nach einwärts, wie dies aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, so dass ihre Endflächen nahe an der Rotoroberfläche endigen. Die Lagerungsstutzen 3 sind auf drei senkrecht zueinander stehenden Achsen angeordnet. Drei der Lagerungsstutzen sind mit der einen Hälfte des Zwischenrah mens 4 aus einem Stück hergestellt, während die e an- deren drei Lagerungsstutzen mit der andern Hälfte des Rahmens 4 aus einem Stück bestehen. Das Gas wird den sechs Stutzen durch den genannten Rahmen 4 über ein Verteilsystem 5 zugeführt.
Die Lagerflächen werden zwecks Erzielung einer maximalen Belastbarkeit möglichst gross gemacht, wobei jedoch zwischen benachbarten Stutzen ein gewisser Zwischenraum vorgesehen ist, um eine Wechselwirkung zu vermeiden.
Das Gas welches durch das Verteilsystem den Kammern 6 innerhalb der Stutzen 3 zugeführt wird, gelangt durch sechs fast mikroskopische Speiseöffnungen 7 zu den Lagerungsstutzen, auf welchen die Rotorkugel 1 gelagert ist.
Die Oberflächen der zylindrischen Hohlräume 2 werden für irgendein geeignetes empfindliches Abnahmesystem (nicht gezeigt) z. B. kapazitiver oder photoelektrischer Art und zur Bestimmung der Richtung der bevorzugten Drehachse des Rotors 1 verwendet.
Der Zwischenrahmen 4 ist in mechanischen Lagern 8 montiert, wie dies die Fig. 3 schematisch zeigt, und wird durch einen äusseren Antriebsmechanismus 9, wie z. B. durch einen Elektromotor oder durch eine Gasturbine in Rotation versetzt. Man erkennt, dass die Reibung in den Lagern 8 keine Wirkung auf die Genauigkeit des ganzen Gerätes ausübt. Wenn der Zwischenrahmen 4 in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise rasch in Umdrehung versetzt wird, während der Rotor 1 in den Gaslagern gelagert ist, bleibt der Rotor 1 weit zurück, und es verstreicht selbstverständlich eine lange Zeit, bevor die äusserst geringe Reibung in den Gaslagern den Rotor 1 auf die Gec schwindigkeit des Rahmens 4 bringt.
Bei den üblichen praktischen Fällen ist es erwünscht, den Rotor 1 praktisch unmittelbar auf die Betriebs drehzahl zu bringen. Dies kann durch die Verwendung eines geeigneten (nicht gezeigten) Mitnahmemechanismus geschehen, welcher die Rotorkugel 1 während der Anlaufperiode und auch während der Auslaufperìode mit dem Zwischenrahmen 4 verbindet. Wenn die gewünschte Betriebsgeschwindigkeit erreicht ist, gibt der Mitnahmemechanismus den Rotor 1 frei, welcher dann nur auf den Gaslagern ruht. Sobald sich der Rotor 1 und der Zwischenrahmen 4 miteinander bewegen, werden sie das auch weiterhin tun, und zwar wegen der geringen Lagerreibungen und wegen Wind -Effekten, da das Gas innerhalb des Gerätes ebenfalls mit den bewegten Teilen umläuft, das heisst rotiert.
Eine Pumpe oder Hochdruckgasquelle 10 liefert das Gas durch einen Drehverbindungs- oder einen Gasschleifringmechanismus 11 in das rotierende Kreiselgerät. Das Gas wird durch den Kanal 12 in das Verteilsystem 5 und von diesem in die Gaslagerungsstutzen 3 geleitet. Ferner ist ein Austrittskanal 13 vorgesehen, durch welchen überschüssiges Gas abgeleitet wird, wobei selbstverständlich das austretende Gas zur Gasquelle 10 zurückgeführt und im Umlauf gehalten werden kann. Das ganze Gebilde ist auf einer Plattform 14 oder innerhalb eines Gehäuses montiert und mittels eines Kardansystems 15 drehbar gelagert, so dass die nötigen Freiheitsgrade erhalten werden.
An der Verbindungsstelle zwischen den Kar danringen und zwischen dem Kardangelenk und der Plattform sind, sofern nötig, übliche (nicht gezeigte) Organe zur Erzeugung eines Drehmomentes vorgesehen.
Die sehr genaue (nicht gezeigte) Abnahmevorrichtung, welche zwischen dem Rotor 1 und dem Zwi schenrahmen 4 vorgesehen ist, stellt jede Abweichung der Lage zwischen diesen beiden Teilen fest, die sich aus irgendeiner Bewegung des das Kreiselgerät tragenden
Fahrzeuges ergibt. Die so erhaltenen Signale werden einem später zu beschreibenden hochempfindlichen
Servosystem zugeführt, welches diese Signale in die notwendigen elektrischen Impulse umformt, welche den richtigen zur Erzeugung eines Drehmomentes dienenden Organen im Kardansystem 15 zugeführt werden, und zwar derart, dass der Zwischenrahmen 4 dauernd mit dem Rotor 1 ausgerichtet und die Ab nahmevorrichtung in der Nullstellung bleibt.
Die emp findlichen Ahnahmevorrichtungen müssen jede Ab weichung in der Ausrichtung der Achse des Rotors 1 bezüglich des Zwischenrahmens 4 um alle Achsen genau ermitteln, mit Ausnahme der Rotationsachse, bezüglich welcher die relative Lage unwichtig ist.
Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Kreiselgerät mit sechs
Lagerungsstutzen 3, welche auf drei senkrecht zuein- ander liegenden Achsen liegen, so dass in allen Rich tungen eine gleiche Lagerung erhalten wird. Es ist jedoch zu bemerken, dass irgendeine Anzahl von
Lagerungsstutzen 3 verwendet werden kann, solange eine dreiachsige Translationsbeschränkung vorhanden ist. (Für ein Kreiselgerät, welches beträchtlichen Be schieunigungskräften in irgendeiner Richtung stand halten muss, sind für diese Richtung vier oder mehr
Stutzen erforderlich.) Zur Erreichung einer optimalen
Symmetrie der Lagerung kann man vier, sechs, acht, zwölf oder zwanzig Stutzen gleicher Grösse und Form verwenden, die senkrecht zu den Mittelpunkten der
Flächen der fünf bekannten regulären Polyeder an geordnet sind.
Dadurch erhält man eine theoretisch ideale Isoelastikität, wenn der Zwischenrahmen prak tisch starr ist.
Es ist zu erwähnen, dass die Drehgeschwindigkeit des Rotors und des Zwischenrahmens nicht gleich sein muss, und tatsächlich kann es in gewissen Fällen nütz lich sein, verschiedene Rotationsgeschwindigkeiten für die genannten Teile zu verwenden. Selbstverständ lich ist es am einfachsten, wenn die beiden Teile mit der gleichen Geschwindigkeit rotieren, da in diesem
Fall das Verfahren, um den Rotor auf die nötige Ge schwindigkeit zu bringen, nur einen einfachen Mit nahmemechanismus erfordert, während im Falle, in welchem der Rotor mit einer höheren Geschwindig keit dreht als der Zwischenrahmen, ausser dem Mit nahmemechanismus zusätzliche Mittel vorgesehen sein müssen, um den Rotor auf seine Geschwindig- kein. zu bringen.
Die Nützlichkeit und Zweckmässig- keit eines Rotors mit ausserordentlich hoher Ge schwindigkeit ist jedoch offensichtlich, wenn die An wendung des Kreiselgerätes, wie beispielsweise bei einem ballistischen Flugkörper, in Betracht gezogen wird, da die grösste Genauigkeit nur während einer kurzen Dauer während des anfänglichen Teiles des
Fluges benötigt wird. Wenn der Rotor anfänglich durch irgendeine zusätzliche Massnahme, wie z. B. durch magnetische Induktion, auf eine bedeutend höhere Geschwindigkeit als der Zwischenrahmen ge bracht wird, so wird seine Geschwindigkeit ganz allmählich bis auf die Geschwindigkeit des Zwischenrahmens abnehmen, und zwar als Ergebnis der gerin- gen Reibungen, welche in den Gaslagern vorhanden sind.
Dieser Vorgang kann sich über einen bedeutenden Zeitraum erstrecken, und während dieses Zeitraumes können bedeutend geringere Driftraten erwartet werden, da die Drift mit erhöhtem Drall und erhöhter Winkelgeschwindigkeit abnimmt. Wenn schliesslich die Rotorgeschwindigkeit gleich der Geschwindigkeit des Zwischenrahmens ist, fahren die beiden Teile fort, mit der gleichen Geschwindigkeit zu rotieren, und von diesem Augenblick an tritt die normale Driftrate des Kreiselgerätes in Erscheinung. Auf diese Weise lassen sich somit während der anfänglichen Periode des Betriebes ausserordentlich kleine Driftraten erzielen.
Aus den Fig. 5 und 6 erkennt man, dass ein kleinerer Lagerradius und ein grösserer Rotorradius als in den Fig. 1 und 2 gleichzeitig durch Verwendung eines Aussenrotors 16 erzielt werden können, welcher einen verhältnismässig grossen Radius aufweist und durch Spei- chen oder Tragstäbe 18 mit einer Lagerkugel 17 von bedeutend kleinerem Radius verbunden ist. Die Fig. 5 und 6 illustrieren auch das bereits erwähnte Prinzip, gemäss welchem die Lagerkugel 17 durch nur vier Lagerungsstutzen gehaltert wird, welche wie die Flächen eines Tetraeders orientiert sind.
Diese Lagerungsstutzen 19 sind durch Öffnungen 20 im Aussen rotor hindurchgeführt. Daher ist im Prinzip der Betrieb gleich wie im vorangehenden Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme, dass durch Verwendung eines bedeutend kleineren Lagerradius eine verminderte Lagerreibung entsteht.
Obwohl die Lagerungsstützen 19 in den Fig. 5 und 6 mit dem Zwischenrahmen 21 aus einem Stück bestehen, werden sie vorzugsweise als getrennte Stücke gefertigt und am Rahmen 21 befestigt. Das in den Rahmen 21 gleitende Gas wird durch ein Verteilsystem 22 in die Kammern 23 in den Zapfen 19 eingeführt, aus denen es durch die Öffnungen 24 in die Lagerfläche austritt. In der Lagerkugel 17 sind an den Verbindungsstellen mit den Rotorspeichen 18 kleine Aushlebungen 25 vorgesehen, um das Anschweissen dieser Speichen an die Kugel zu erleichtern, ohne dass die geometrisch genaue Oberfläche der Lagerkugel 17 Deformationen oder Beschädigungen erleidet. Im Aussenrotor 16 sind kreisförmige Öffnungen 26 vorgesehen, welche Oberflächen für das nicht gezeigte Ahnahmesystem liefern.
Das ganze Rotorgebilde kann mit Vorteil aus Quarz hergestellt werden, welcher bekanntlich eine ausserordentlich grosse Stabilität aufweist.
Die Lagerungsstützen 19 der Fig. 5 und 6 sind im wesentlichen gemäss der Fig. 4 ausgebildet. Es sind jedoch andere Stützenkonstruktionen, wie sie z. B. die Fig. 11 und 15 zeigen, verwendbar und unter Umständen sogar von Vorteil, um gewisse aerodynamische Fehler zu korrigieren, welche sich durch den Dämpfungseffekt des Gases ergeben, welcher zwischen dem Rotor 16 und dem Rotorgehäuse oder Zwischenrahmen 21 auftritt.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss den Fig. 5 und 6 ist nur eine beschränkte Relativbewegung zwischen Rotor 16-18 und Zwischenrahmen 21 möglich.
Die Fig. 7 und 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Aussenrotor, wobei sechs senkrecht zueinander angeordnete Lagerungsstützen 27 verwendet werden. Die Konstruktion dieser Stützen 27 ist ein Beispiel eines etwas komplizierteren Typs von Stützen, welcher einen einzelnen Absaugring 28 verwendet, welcher aus den Fig. 11 und 12 besser ersichtlich ist. In diesem Falle wird Gas unter hohem Druck durch das Verteilsystem 29 in die Speiserohre 30 und von diesen in die Hochdruckkammern 31 gepresst, aus welchen das Gas durch sehr kleine Speiseöffnungen 32 zur Lageroberfläche gelangt. Kleine Rillen 54 können zwischen den Öffnungen 32 und dem Ring 28 nötig sein, und zwar gerade so weit, dass Schwingungen vermieden werden.
Wenn sich das Gas über die Oberfläche des Stutzens und durch die genannten Rillen bewegt, falls diese vorhanden sind, erreicht es den Absaugring 28, aus welchem es durch die Öffnungen 33 in die Vakuumkammer 34 und durch das Verteil- system 35 abgesaugt wird. Ein noch höheres Vakuum wird im gasdichten Gehäuse 36 erzeugt (welches als rotierender Zwischenrahmen dieses Kreiselgerätes dient), um irgendwelche Gasreste abzusaugen, die zufällig durch den Absaugring 28 hindurchgetreten sind.
Mit einem derartigen Evakuationssystem können Fehler durch aerodynamische Dämpfungseffekte weitgehend herabgesetzt werden. Die Lagerzapfen 27 erstrecken sich von der inneren Oberfläche des Rotorgehäuses 36 durch Öffnungen 37 im Aussenrotor 38 bis nahe an die Lagerkugel 39. Der Aussenrotor 38 wird von der Kugel 39 aus durch acht Rotorstäbe 40 gehalten, welche gleich orientiert sind wie die Flächen eines Oktaeders (oder wie die Ecken eines Würfels).
Wo die Stäbe 40 auf die Lagerkugel 39 auftreffen, sind wiederum Öffnungen 41 in der Kugeloberfläche vorgesehen, um die Konstruktion zu erleichtern. Die ebenen Flächen 42 auf der Ober- und Unterseite des Rotors 38 bilden Abnahmeflächen.
Die Fig. 9 und 10 zeigen eine andere Variante eines Kreiselgerätes mit Aussenrotor, wobei acht Lagerungsstutzen 43 zur Verwendung gelangen, welche gleich orientiert sind wie die Flächen eines Oktaeders. Wie in den vorangehenden Fällen erstrekken sich die Stutzen 43 vom gasdichten Gehäuse 44 (welches den Zwischenrahmen bildet) durch Öffnungen 45 im Aussenrotor 46. Am sphärischen Lager 47, welches aus Quarz besteht, ist ein Satz von sechs senkrecht zueinander stehenden Quarzstäben 48 angeschweisst, welche den ebenfalls aus Quarz bestehenden Aussenrotor 46 halten.
Wiederum sind an den Schweissstellen Aussparungen 49 in der Rotoroberfläche vorgesehen. Die Oberund Unterseiten des Aussenrotors 46 sind weggeschnitten, so dass zwei ebene Flächen 50 für die Abnahme entstehen. Man erkennt, dass in den Stut zen 43 je drei Kammern vorgesehen sind. Diese weiterentwickelte Stutzenkonstruktion ist mit vermehrten Einzelheiten in den Fig. 14 und 15 dargestellt, wobei zwei getrennte Evakuationsringe vorgesehen sind, welche die Lageroberflächen umgeben. Die kleinste Kammer 51 liefert Gas unter hohem Druck an die sehr kleinen Lagerspeiseöffnungen 89 über eine scheibenförmige Kammer 90, während die Kammer mittlerer Grösse 52 dazu verwendet wird, einen mässigen Sog auf den Innenring 91 des Stutzens auszuüben, und zwar durch die Verbindungsöffnungen 92.
Die grösste Kammer 53 übt einen bedeutend grösseren Sog auf den zweiten oder äusseren Evakuationsring 93 durch die Verbindungsöffnungen 94 aus. Bei dieser Konstruktion steht das Gehäuse 44 unter einem noch höheren Vakuum, um Gasreste zu evakuieren, welche in der Lage waren, über beide Evakuationsringe auszutreten.
Die Fig. 13 zeigt schematisch eine mittels eines Kreiselgerätes stabilisierte Plattform, wobei ein Kreiselgerät mit Lagerungsstutzen mit einem einzelnen Evakuationsring zur Anwendung gelangt (wie in den Fig. 7, 8, 11 und 12 dargestellt). Der Zwischenrahmen dieses Kreiselgerätes besteht aus einem gasdichten Gehäuse 36, das auf mechanischen Lagern 61 montiert ist und durch ein Antriebssystem 62 in Rotation versetzt wird. Die Pumpe 63 liefert Gas unter hohem Druck über die Drehverbindung 64 in den Kanal 65, durch welchen das Hochdruckgas über ein geeignetes Verteilsystem im Gehäuse 36 den Lage rungsstu;tzen zugeführt wird.
Das aus den Speiseöffnungen 32 (Fig. 11) austretende Gas wird in den Evakuationsring 28 (Fig. 11) gesogen und über den Evakuationskanal 66 in ein Gasschleifringgebilde 67 abgesogen. Die Vakuumpumpe 68 saugt das Gas vom Schleifringgebilde 67 ab und gibt es gegebenenfalls über das Rohr 69 an die Druckpumpe 63 ab, falls es erwünscht ist, das Gas in Umlauf zu halten.
Die Vakuumpumpe 70 saugt Gas durch ein anderes Schleifringgebilde 71 aus dem gasdichten Gehäuse 36 über den Kanal 72 ab, welcher innerhalb des rotierenden Gebildes angeordnet ist. Das durch die Vakuumpumpe abgesaugte Gas wird über das Rohr 73 der Vakuumpumpe 68 zugeführt, wo es mit dem Gas aus dem Evakuationsring zusammengeführt wird. Das in dieser Figur schematisch dargestellte Servosystem arbeitet wie folgt:
Das ganze bisher beschriebene System ist auf einem Hauptrahmen 74 montiert, welcher wie zuvor kardanisch gelagert ist. Die Kardanringe 75 gestatten eine Rotation des Hauptrahmens 74 um zwei Achsen.
Das an der Plattform 74 befestigte Zahnrad 76 ist mit dem am Kardanring 75 befestigten Motor 77 über ein Getriebe 78 verbunden. Der Kardanring 75 ist in einem Getriebekasten 79 montiert, welcher durch den Motor 80 gedreht werden kann, so dass zwei Rotationsachsen für den Hauptrahmen 74 vorhanden sind. Die (nicht gezeigten) Ahnahmevorrichtungen, welche zwischen dem Rotor und dem Zwischenrahmen 36 liegen, liefern elektrische Impulse, welche die relativen Lagen der genannten beiden Teile anzeigen, an den Synehrondemodulator und -verstärker 81 über (nicht gezeigte) elektrische Schleifringe und die Eingänge 82.
Auf einem geeigneten Teil des Zwischenrahmens 36 ist eine Synchronisiervorrichtung 83 vorgesehen, und ein mit dieser Vorrichtung 83 in Be- rührung stehender Kontaktarm 84 liefert ein unterbrochenes Signal oder Impulse an den synchronisierten Demodulator 81 über den Eingang 85, zwecks Reduktion der Signale auf den Hauptrahmen 74 statt auf den Zwischenrahmen 36. Der Ausgang 86 des Verstärkers 81 ist mit dem Bihgangsleiter 87 des Motors 77 verbunden, um die Neigung des Hauptrahmens 74 zu steuern, während der Ausgang 88 des Verstärkers 81 dazu verwendet wird, den Motor 80 für Azimutkorrekturen zu steuern.
Auf diese Weise wird die Ausrichtung dauernd innerhalb eines sehr kleinen Winkels aufrechterhalten.
Je genauer die so erhaltene Ausrichtung ist, um so bedeutungsvoiler ist die Eigenschaft, die in einer statischen Reibung vom Wert Null besteht, wie sie Gaslager aufweisen. Entsprechend sollte das Servosystem für den Hauptrahmen 74 vorzugsweise von sehr aus geklügelter Form sein, so dass es imstande ist, eine Aus, richtung innerhalb eines sehr kleinen Bruchteiles eines Grades aufrechtzuhalten (zur Vereinfachung der Darstellung zeigt die Figur ein solches System nur in ziemlich grober Form).
Man erkennt, dass mit Hilfe des Synchronisiersystems 83 die abgenommen Information, welche zwischen dem Rotor 38 und dem Zwischenrahmen 36 erhalten wird, in eine direkte Information der Rotorlage bezüglich des Hauptrahmens transformiert wird.
Es ist t zu erwähnen, dass ein Abnahmesystem ebenso wirkungsvoll direkt zwischen dem Rotor und der Plattform angeordnet werden könnte, und in diesem Fall würde die Notwendigkeit einer Synchronisation und einer Demodulation zur Gewinnung der Rotor lageninformatiion zwischen dem Rotorgehäuse und der Plattform wegfallen. Ein solches Abnahmesystem lässt sich auf verschiedene Art herstellen, beispielsweise durch Verwendung eines Zwischenrahmens mit einem durchsichtigen Teil und Verwendung einer photoelektrischen Abnahmevorrichtung, welche direkt zwischen der Plattform und der Ahnahmefläche des Rotors arbeitet.
Ausserdem können die ein Drehmoment erzeugenden Organe für das oben erwähnte System, obwohl sie durch die Antriebsmotoren 77 und 80, welche durch Getriebe verbunden sind, dargestellt sind, in einem praktischen Fall aus irgendeinem zur Erzeugung eines Drehmomentes dienenden Mechanismus und einer Plattformaufhängung vorstehen. (Die Arbeitsweise dieses Systems ist genau gleich demjenigen der Fig. 3, und ! man kann ohne weiteres annehmen, dass das Servosystem der Fig. 13 auch in der Fig. 3 zur Anwendung gelangt.)
Das grundlegende Kreiselgerätsystem, welches Lagerungsstutzen mit doppeltem Evakuationsring verwendet, ist schematisch in der Fig. 16 dargestellt.
Hier besteht der Zwischenrahmen 98- aus einem gasdichten Gehäuse und wird durch mechanische Lager 99 gehaltert und durch irgendeinen geeigneten Antriebsmechanismus 100 in Umdrehung versetzt. Eine Hochdruckpumpe 101 treibt Gas durch das Rohr 102 und die Drehverbindung 103 in den Kanal 104, von welchem das Gas über ein Verteilsystem im Rotorgehäuse 98 den verschiedenen Lagerungsstutzen zugeführt wird. Das austretende Gas in jedem Lagerungsstutzen wird in den ersten oder inneren Ring 91 (Fig. 14) jedes Stutzens geleitet, von wo aus das Gas in den ersten Vakuumkanal 105 geführt wird. Die Vakuumpumpe 106 saugt das Gas aus dem Kanal 105 ten Fall vier flache Glieder 121 verwendet, um den Aussenrotor 120 mit der Lagerkugel 122 zu verbinden. Im vorliegenden Fall weist der Aussenrotor 120 keine Durchtrittsöffnungen für die Stutzen 119 auf.
Statt dessen ist der Rotor genügend schmal ausgebildet, so dass keine solchen Durchtrittsöffnungen nötig sind. Dank diesem Umstand kann das vorliegende Ausführungsbeispiel wie dasjenige der Fig. 1 und 2 so betrieben werden, dass sein Rotor (120, 121, 122) schneller dreht als der Zwischenrahmen 123, unter der Voraussetzung, dass die Stutzen 119 genügend schmal sind, um die Bewegung der Rotortragglieder 121 nicht zu behindern. Daher ist die Verwendung einer Abnahmevorrichtung für die Rotationsachse freigestellt, so dass in diesem Falle auf diese verzichtet werden kann. Die Lagerungsstutzen erstrecken sich von der Innenwand des Zwischenrahmens 123 nach innen. Die Lagerkugel 122, an welche die flachen Glieder 121 angeschweisst sind, weist wiederum Aussparungen 124 an den Verbindungsstellen auf, um die Konstruktion zu erleichtern.
Der Druckkanal 125 und der einzelne Evakuationskanal 126, die in den Fig. 17 und 18 dargestellt sind, lassen erkennen, dass die Stutzen 119 von der einen einzelnen Evakuationsring verwendenden Art sind. Je nach der Anwendung der vorliegenden Konstruktion ist jedoch die Verwen dung von Lagerungsstutzen mit irgendeinem Evakuationssystem verwendbar. Die ebene Fläche auf der Oberseite des Aussenrotors 120 ist mit einem leiter den Überzug 127 für Abnahmezwecke versehen, wobei die Abnahmevorrichtungen selbst nicht gezeigt sind.
Die Fig. 18 zeigt, wie das Kreiselgerät der Fig. 17 mit Hilfe von Kugellagern 128 in einem Hauptrahmen 136 gelagert ist. Der Hochdruckspeisekanal 129 mündet in das Verteilsystem 130 ein, welches das Gas auf die Lagerungsstutzen 119 verteilt. Ein ähnlicher SaugkanaI 131 mit einem zugehörigen Verteil- bzw. Sam melksystem dient zur Entleerung des Evakuationsringes. Selbstverständlich können zusätzEiche Massnahmen ergriffen werden, um das Rotorgehäuse 123 zu evakuieren. In der Fig. 18 sind ausserdem kapazitive Abnahmevorrichtungen 133 dargestellt, welche durch Isolierstäbe 134 in der Nähe des leitenden Ringes 127 gehalten werden. Falls man einer symmetrischen Abnahme den Vorzug gibt, könnten leitende Ringe und Abnahmevorrichtungen sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite des Rotors vorgesehen werden.
Der Isolierstab 135 trägt eine weitere Abnahmevorrichtung zur Ermittlung der relativen Winkellage bezüglich der Rotationsachse.
Es ist bereits vorgängig erwähnt worden, dass ein wichtiges neues Merkmal in der hier beschriebenen drehbaren Rotoraufhängung besteht, welche einen Rotor bezüglich eines Zwischenrahmens trägt und Gaslager verwendet, um zwei Freiheitsgrade der Neigung der Rotorachse zu ermöglichen, wobei Mittel vorhanden sind, um den Zwischenrahmen (mit der Rotordrehgeschwindigkeit oder einer kleineren Geschwindigkeit) in Umdrehung zu versetzen, so dass die permanenten Drehmomente, die durch irgendeine Unw symmetrie in den Gaslagern erzeugt werden, sich dauernd aufheben.
Es ist hervorzuheben, dass, obwohl die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele ein zentrales sphärisches Gaslager verwenden, man nicht auf diese Art von Gaslagern beschränkt ist, sondern sich auf andere Arten von Systemen verwenden lässt, welche in der drehbaren Rotoraufhängung eine Kombination mehrerer Zapfenlager anstelle eines einzigen sphärischen Lagers verwenden.
Die Fig. 19 zeigt eine e Variante, welche Gaszap- fenlager verwendet. In diesem Ausführungsbeispiel trägt ein Zwischenrahmen 140 einen in bekannter Weise kardanisch gelagerten Rotor 141, welcher in einem ersten Kardanring 142 gelagert ist, welch letzterer seinerseits über einen zweiten Kardanring 143 mit dem Zwischenrahmen 140 verbunden ist. Die Gaszapfenlager 144 vermitteln dem zweiten Kardanring 143 einen Freiheitsgrad der Neigung bezüglich des Zwischenrahmens 140, während die Gaszapfenlager 145 dem ersten Kardanring 142 einen weiteren Freiheitsgrad der Neigung bezüglich des Kardanringsi 143 vermitteln. Somit vermittelt die ganze Rotoraufhängung zwei Freiheitsgrade der Neigung für den Rotor bezüglich des Zwischenrahmens.
Dieser Zwischenrahmen 140 wird nun innerhalb eines geeigneten Hauptrahmens 146 durch ein Antriebsmittel 147 in Rotation versetzt. Die Lager zwischen dem Zwischenrahmen 140 und dem Hauptrahmen 146 können von irgendeiner üblichen Art, z. B. Kugellager, sein. Die Drehgeschwindigkeit des Rahmens 140 ist vorzugsweise bedeutend kleiner als die Drehgeschwindigkeit des Rotors 141 und beträgt beispielsweise eine oder einige wenige Umdrehungen pro Sekunde.
Durch diese einfache Massnahme, welche darin besteht, den Zwischenrahmen 140 zu rotieren, werden die durch das permanente Drehmoment der Gaslager erzeugten Fehler neutralisiert. Selbstverständlich muss nach wie vor ein (nicht gezeigter) Motor r vor- gesehen sein, um den Rotor 141 bezüglich des Kardanringes 142 zu rotieren. Die durch diesen Motor und die Drehlager des Rotors erzeugte Wärme wird in den Kardanrifngen vernichtet, welche die drehbare Rotoraufhängung bilden. Es ist zu bemerken, dass die ganze Konstruktion etwas weniger starr ist t und daher einem grösseren anisoelastischen Fehler unterworfen ist als die vorerwähnten Ausführungsbeispiele.
Die Fig. 20 zeigt ein weiteres, im wesentlichen gleichwertiges Ausführungsbeispiel, bei welchem ein Rotor 150 durch einen ersten Kardanring 151, ein zweites Kardanorgan 152 und einen Zwischenrahmen 153 gehalten wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Kardanorgan 152 kreuzförmig ausgebildet, so dass die vollständige Aufhängung des Ringes 151 vom Zwischenrahmen 153 aus die Form eines üblichen Kreuzgelenkes aufweist, wie es bisher in Kreisiel- geräten geringerer oder mittlerer Güte verwendet worden ist.
Zwei Gaszapfenlager 154 und zwei weitere gleichartige Lager 155 vermitteln dem Rotor 150 zwei Freiheitsgrade der Bewegung bezüglich des Zwischenrahmens 153, wobei das Gas diesen Lagern durch nicht gezeigte Gasschleifringe und Durchgänge zugeführt wird, wie in den bereits beschriebenen Aus führungsbeispielen. Der Rotor 150 wird durch übliche Kugellager 156 im Ring 151 gelagert und durch einen Motor 157 angetrieben, wobei die Speisung des Motors 157 z. B. über den Ring 151 erfolgt.
Das eben beschriebene vollständige Gebilde mit dem Zwischenrahmen 153 und allen übrigen von diesem Rahmen aus gehalterten Teilen wird nun im Hauptrahmen 158 durch einen geeigneten Antrieb 159 in Rotation versetzt. Auch bei diesem Ausfüh rungsbeispiei ist die Drehgeschwindigkeit des Zwischenrahmens vorzugsweise bedeutend kleiner als die Drehgeschwindigkeit des Rotors 150.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in der Fig. 21 dargestellt. Dieses ist im wesentlichen ein Kreiseigerät mit einem geraden Kreuzgelenk und gleichwertig dem Kreiselgerät, welches im Ferranfi-Kreiselzielgerät Mark 4E verwendet wird, welches im Werk The Gyroscope Applied von K. 1. T. Richardson auf Seite 325 dargestellt ist.
Das Arbeiten eines solchen Kreuzgelenkkreiselgerätes wurde zum Teil theoretisch und zum Teil experimen- tell von den Professoren R. N. Arnold und L. Maun der untersucht und ist in einem Artikel zu The Motion due to Slow Precession of a Gyroscope Driven and Supported by a Hooke's Joint beschrieben, welcher in der Zeitschrift Institution of Mechanical Engi neers im Jahre 1951 in Grossbritannien erschienen ist.
In diesem von den vorerwähnten Professoren verfassten Artikel wurde dargelegt, dass die Wind und Reibungseffekte in den Kreuzgelenklagern eine Ausrichtung der Rotorachse bewirken, das heisst eine Selbstausrichtung dieser Achse mit der Rotationsachse des tragenden Zwischenrahmens, wobei aber eine besondere Art von Trägheitsmoment des kreuzförmigen Drehgliedes bewirkt, dass die Rotorachse eine Präzession ausführt. Diese beiden Bewegungen sind viel zu gross, als dass sie in einem Kreiseigerät mit geringer Drift zugelassen werden könnten.
Nachstehend wird nun dargelegt, wie ein n derarti- ges Kreuzgelenkkreiselgerät, welches bisher für Anwendungen mit geringer Drift als vollständig ungeeignet befunden worden ist, durch die Kombination von verschiedenen Massnahmen dazu gebracht werden kann, sehr gute Ergebnisse zu liefern. Erstens werden die vier Zapfenlager an den vier Enden des kreuzförmigen Organs durch Gaslager ersetzt, welche vorzugsweise mehrere Evakuationsringe aufweisen, damit der Grossteil des Gases abgeführt werden kann, bevor es aus den Lagern in den umgebenden Raum austritt.
Zweitens wird das ganze Kreiselgerät in einem gasdichten Gehäuse untergebracht, welches mit dem Kreiselgerät rotiert und auf einen niedrigen Gasdruck evakuiert wird. Drittens wird eine Federanordnung vorgesehen, welche eine geeignete elastische Hemmung zwischen dem Zwischenrahmen und dem Rotor bewirkt.
In der Fig. 21 wird der Zwischenrahmen (oder das Zwischenglied) 165 im Hauptrahmenorgan 166 durch den Antrieb 167 in rasche Umdrehung versetzt. Beim dargestellten Gerät ist der r Zwischenrahmen nur auf der Unterseite durch das Hauptrahmenorgan 166 gehaltert, aber vorzugsweise ist auch auf dier Oberseite ein (nicht gezeigtes) Tragorgan des Hauptrahmens vorgesehen. Der Rotor 168 ist am Zwischenrahmen 165 durch ein kreuzförmiges Drehorgan 169 gelagert.
Dieses Organ 169 ist am Zwischenrahmen 165 über zwei Gaszapfenlager 170 (von denen nur eines sichtbar ist) drehbar befestigt, und das Organ 169 ist am Rotor 168 durch zwei weitere Gaszapfenlager 171 drehbar befestigt. Diese Gaslager werden mit Hoch druckluft oder r Hochdruckgas über den Kanal 172 gespeist, weicher sich über Durchgänge im Rahmen 165 zu den Gaslagern 170 erstreckt. Diese Gaslager wirken nicht nur als Lager, sondern auch als Gasschleifringe, über welche das Hochdruckgas dem kreuzförmigen Organ 169 zugeführt wird, welches dieses Gas auch den Gaslager 171 zuführt. (Entsprechendes gilt übrigens auch bei den Ausführungsbeispielen gemäss Fig. 19 und 20.) Eine (nicht gezeigte) Schleifringanordnung dient dazu, das Gas dem Kanal 172 zuzuführen.
Zwischen dem Zwischen rahmen 165 und dem Rotor 168 ist ein Satz von Federn 173 vorgesehen.
Obwohl der Einfachheit halber nur zwei Federn dargestellt sind, können je nach Bedarf selbstverständlich vier oder sechs oder irgendeine Anzahl von Federn vorhanden sein. Selbstverständlich können diese Federn auch eine andere Form als die gezeigte Form aufweisen.
So kann beispielsweise eine Torsionsfeder zwischen dem Organ 169 und dem Rotor und eine andere zwischen dem Organ 169 und dem Zwischenrahmen 165 vorhanden sein, und zwar anstelle einer Feder, welche sich direkt zwischen dem Zwischenrahmen 165 und dem Rotor 168 erstreckt.
Die richtige Wahl der Elastizitätskonstanten der Federn bezüglich der r gewünschten Rotationsgeschwin- digkeit und dem besonderen Trägheitsmoment des Organs 169 lässt sich in jedem Falle am besten durch Versuche festlegen. Falls das Organ 169 vollständig symmetrisch ist, sollte die elastische Hemmung zwischen den Teilen 165 und 168 in allen Richtungen der r Neigung die gleiche sein.
Das permanente Drehmoment der Gaslager 170 und 171 erzeugt keine unerwünschte Präzession der Rotorachse in irgendeiner Richtung, da die konstante Rotation der Achsen diesen Effekt dauernd neutralisiert. Der Windeffekt und die geringe viskose Reibung in den Gaszapfenlagern bewirken, dass der Rotor das Bestreben hat, sich mit der Achse des Zwischenrahmens 165 auszurichten, aber jeder dieser Effekte nähert sich dem Wert Null, wenn der Nei gungswinkei zwischen dem Zwischenrahmen 165 und dem Rotor 168 abnimmt.
Man erkennt aber, dass trotz dieses Windeffektes und des Effektes der viskosen Reibung die Drift des Kreiselgerätes unter irgendeinen gewünschten Wert herabgesetzt werden kann, und zwar lediglich dadurch, dass man das Gerät in einem hinreichend guten Stabilisierungssystem verwendet, welches die Rotationsachse des Zwischenrahmens 165 dauernd mit der Rotationsachse 168 ausgerichtet hält. Diese Eigenschaft, gemäss welcher sich die Drift dem Wert Null nähert, wenn der Neigungswinkel sich dem Wert Null nähert, ist nicht eine Eigenschaft des bekannten Kreuzgelenkkreiselgerätes, und ausserdem darf ohne weiteres angenommen werden, dass die Nützlichkeit der oben erwähnten Kombination von Massnahmen bisher nicht in Betracht gezogen worden ist.
Theoretisch wird ein anderer kleiner Drifteffekt durch die Trägheitsmomente des Zwischenrahmen, 165 und des Antriebsmittels 167 erzeugt, welche der geringen Beschleunigung und Verzögerung des Rahmens 165 entgegenwirken, welche sich aus dem Neigungswinkel zwischen der Rotorachse und der Antriebsachse ergeben. In der Praxis bewirkt dieser Effekt jedoch eine Drift dritter Ordnung, welche sich rasch dem Wert Null nähert, wenn der Winkel des Aus, richtungsfehlers herabgesetzt wird, so dass dieser Effekt für kleine Winkel gewöhnlich vernachlässigt werden kann.
Falls dieser Effekt jedoch störend wirkt, kann er herabgesetzt werden, und zwar lediglich durch geeignete Wahl der Torsionselastizität der Welle 174, so dass bei der gewünschten Drehgeschwin- digkeit eine Resonanz entsteht. Dies geschieht am besten durch Versuche in der folgenden Art und Weise: Nachdem zuerst die erwünschten linearen Effekte (oder Effekte erster Ordnung) des Trägheitsmomentes des kreuzförmigen Organs durch zweckmässige Einstellung der Federn 173 bei sehr kleiner winkelmässiger Abweichung zwischen der Antriebsachse und der Rotorachse vermindert worden sind, wird durch beträchtliche Vergrösserung des Winkels zwischen diesen Achsen dafür gesorgt, dass die Effekte dritter Ordnung, wie z.
B. der durch das Trägheitsmoment der Organe 165 und 167 bewirkte Effekt dritter Ordnung, beträchtliche Werte anzuneh men beginnen, worauf diese Effekte dann durch Versuche vermindert werden, indem die Welle 174 dünner gemacht wird, so dass der in Frage stehende Fehler ungefähr bei der gewünschten Rotationsgeschwindigkeit auf den Wert Null herabgesetzt wird.
Die Fig. 22 und 23 zeigen einige bevorzugte Formen von Lagerungsstutzen, welche in verschiedenen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele, welche ein sphärisches zentrales Lager verwenden, verwendet werden können. Es sind auch zahlreiche andere praktische Anwendungen und Anordnungen der Speiseöffnungen und Speiserillen nützlich und wirksam, so dass die hier dargestellten Anordnungen lediglich als Beispiele zu werten sind.
Beim Stutzen der Fig. 22 sind eine Reihe von sechs nahezu mikroskopischen Speiseöffnungen 180, wie in den Fig. 11 und 12 gezeigt, vorhanden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind jedoch diese Öffnungen durch eine enge, wenig tiefe, nahezu oder ganz kreisförmige Ausgleichsrille 181 miteinander verbunden, deren Querschnittsfläche ungefähr den gleichen Durchmesser aufweist wie eine der genannten Öffnungen 180. Vorzugsweise sind die beiden Durchmesser einander gleich im Verhältnis 2 : 1 bis 1 : 2. Diese Art von Ausgleichsrille ist besonders wirksam für die Erhöhung der Belastbarkeit des Lagers, ohne gleichzeitig seine Schwingungstendenz wesentlich heraufzusetzen.
Falls eine Tendenz zum Auftreten von Schwingungen besteht, kann diese durch Verwendung von sehr kleinen Sickerrillen oder -rissen eliminiert werden, welche sich von den Öffnungen 180 (oder, was weniger günstig ist, von einem anderen Teil der Rille 181) radial bis zum Rand des Lagers nach aussen erstrecken, oder indem man die Oberfläche gerad'e ausserhalb der Rille 181 absetzt, so dass dieser abgesetzte Oberflächenteil etwas tiefer liegt als die Lageroberfläche innerhalb der Rille. In einem solchen Fall muss der Abstand zwischen den beiden Ebenen der Oberflächen für übliche Grössen von Lagern, wie sie in Kreiselgeräten zur Anwendung gelangen können, gering sein in der Grössenordnung von 10-6 mm.
Die Fläche der genannten Sickerrille odier die Tiefe des genannten Absatzes sollte nur wenig grösser sein als nötig, um mit Sicherheit Schwingungen zu vermeiden.
Die Fig. 23 zeigt eine andere Form der Konstruktion, welche theoretisch etwas weniger wirksam, aber praktisch bedeutend einfacher herzustellen ist. Bei dieser Konstruktion sind die sechs beinahe mikuro- skopischen Speiseöffnungen der anderen Ausführungsbeispiele durch eine einzige etwas grössere Speise öffnung 190 ersetzt, welche Gas durch sechs Verteilrillen 191 der Ausg, leichslille 192 zuführt.
Die Ge samttiefe und Breite jeder Rille 191 ist so zu wählen, dass ein Querschnitt entsteht, der grob gesprochen doppelt so gross ist wie der Querschnitt der Aus gleichsrille 192 (vorzugsweise zwischen 1,5 und viermal so gross). Diese Rille 192 sollte einen Querschnitt in der Grössenordnung 1/N mal demjenigen der zentralen Öffnung aufweisen, wo N die Anzahl der radialen Verteilrillen ist (im vorliegenden Fall ist N = 6). Vorzugsweise liegt der Querschnitt der Rille 192 zwischen 1 ,2!2N und 412N mal demjenigen der Öffnung 190.
Selbstverständlich können die bevorzugten For men von Lagerungsstutzen, wie sie e in den Fig. 22 und 23 dargestellt sind, anstelle der einfacheren Formen treten, wie sie in den vorangehenden Figuren dargestellt sind, wo sphärische Lager verwendet sind.
In denjenigen Beispielen, welche Evakuationsringe erfordern, kann die gleiche Anordnung der Speise öffnungen und Verteilrillen, wie sie die Fig. 22 und 23 zeigen, verwendet werden, wobei jedoch die Abs aug- ringe auf der Aussenseite noch hinzuzufügen sind.
Selbstverständlich kann irgendeine der Kreiselgerätformen, welche zentrale sphärische Lager verwendet, eine doppelte, einfache oder auch gar keine Absaugrille aufweisen, obwohl hier nur einige wemge derartige Kombinationen dargestellt sind.
Im allgemeinen sollte in den Fällen, wo das Gehäuse evakuiert wird, der Druck im Gehäuse unter lilo Atm. gehalten werden, und wo ein Absaugring und eine Evakuation des Gehäuses zur Anwendung gelangen, sollte der Druck im m Gehäuse unter 1/30 und vorzugsweise unter liloo Atm. gehalten werden.
Bei der Verwendung von zwei Absaugringen sollte der Druck unter 1,200 und vorzugsweise unter 1 1000 Atm. gehalten werden.
In allen Fällen von in mehreren Stufen erzeugtem Vakuum - sei es nun durch Anwendung eines Ab saugringes oder eines evakuierten Gehäuses oder durch Verwendung eines Absaugringes, auf welchen ein weiterer solcher Ring folgt - sollte das Verhältnis der Drucke so gewählt werden, dass mehr als 80 Gewichtsprozente des in einen gegebenen Ring oder in das Gehäuse eindringenden Gases von diesem abgesaugt werden, so dass weniger als 200/0 zur nächsten Stufe durchsickern können. Vorzugsweise sollten die genannten Prozentsätze über 900/0 bzw. unter 10 ovo liegen.
Der einfache, im wesentlichen kugelförmige Rotor gemäss den Fig. 1 und 2 wird vorzugsweise in den meisten Fällen angewendet. Vorzugsweise e sollen bei einem solchen Rotor mindestens 25 /o seiner äquivalenten Aussenfläche so bearbeitet sein, dass eine ge naue sphärische Oberfläche e entsteht, welche dazu bestimmt ist, mit den Gasiagerungsstutzen zusammenzuwirken.
Bei gewissen besonderen Anwendungen, bei denen eine äusserst kleine Drift so wichtig ist, dass neben dieser alle Überlegungen hinsichtlich Grösse, Gewicht, Kompliziertheit und Kosten zurückstehen müssen, und wenn gleichzeitig die Anforderungen hinsichtlich Stosssicherheit, Vibrationssicherheit und Beschleunigungssicherheitnichltzu streng sind, wird ein komplizierterer Rotor bevorzugt, welcher innere und äussere Teile aufweist. Bei Verwendung eines solchen Rotors sollte das Verhältnis zwischen dem Aussenradius und dem Radius der Lagerkugel grösser als 2:1 (und vorzugsweise grösser als 3 1) und das Verhältnis der Trägheitsmomente des ganzen Rotors und der Lagerkugel grösser als 20:1 (und vorzugsweise grösser als 100:1) sein.
Bei allen solchen komplizierten Rotoren sollte die Grösse der Lagerungsstutzen, der Speichen, der Vertiefungen und ungenauen Oberflächenteile um die Speichen herum so sein, dass mindestens Illo und vorzugsweise 1/5 der Oberfläche des Sphäroides eine praktisch absolut genaue sphärische Oberfläche aufweist, welche mit den Lagerungsstutzen zusammenarbeitet. Der Bruchteil der Oberfläche, welche tatsächlich die Last trägt, kann bedeutend kleiner sein, da die oben genannten Bruchteile die Gesamtfläche der Lagerungsstutzen, einschliesslich der Evakuationsringe und der zwischen diesen Ringen liegenden Oberflächenteile, umfassen.
Vorzugsweise sollte aber die Fläche, welche tatsächlich für die Lagerung verwendet wird, nicht weniger als 1/20 der gesamten äquivalenten Fläche des Sphäroides betragen. (Unter totaler äquivalenter Fläche des Sphäroides ist die jenige Fläche gemeint, welche dieses aufweisen würde, wenn seine vollkommene sphärische Oberfläche sich so weit ausdehnen würde, dass eine vollständige Kugelfläche entsteht.)
Wo es nötig ist, dile wirksame Lagerfläche der Lagerunlgsstutzen zu erhöhen, können diese verbreitert werden, bis sie sich berühren, oder diese können noch weiter verbreitert werden, so dass benachbarte Stutzen sich längs eines beträchtlichen Teiles ihres Umfanges berühren.
Vorzugsweise sollte jedoch in allen Fällen mindestens eine Hälfte des Umfanges jedes Stutzens frei von allen anderen Stutzen gehalten werden, so dass mindestens die Hälfte des Umfanges für den Austritt des Gases in das Gehäuse oder in einen Absaugkanal zur Verfügung steht. Auch sollte nicht mehr als die Hälfte des Umfanges irgendeines Stutzens mit anderen Stutzen in Berührung stehen, um nicht einer Einwirkung anderer Stutzen übermässig ausgesetzt zu sein. Wo ein Absaugring oder ein Absaugkanal den eigentlichen wirksamen Teil eines Stutzens umgibt oder zwischen diesem Teil eines Stutzens und demjenigen des nächsten Stutzens liegt, ist dieser Ring oder Kanal nicht als Teil der gemeinsamen Grenze aufzufassen.