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.
Gyroscope
The present invention relates to a gyroscope. This should have high accuracy and low drift (migration of the gyro axis).
One of the primary purposes of the invention is to provide a rotatable rotor mount which uses gas bearings to take advantage of the very low static friction of such bearings. Under rotatable rotor suspension is to be understood any type of mounting device - whether in the form of conventional cardan rings or an inner Kreuzgelen kes, or! any other shape - which holds the rotor from the main frame, in such a way that the rotor axis has at least two degrees of freedom with respect to the main frame.
In recent years it has generally been recognized that air bearings (or gas bearings which use hydrogen, nitrogen, helium or other gases) have practically no static friction and only very little internal friction. Numerous proposals have already been made for the use of gas bearings in the rotor bearings or in the cardan bearings of gyroscopes. In order to achieve the best results in gyroscopes with very little drift, attempts with gas bearings have proven unsuccessful for two reasons. First, although a gas bearing has virtually no stiction and a low coefficient of viscous friction, it has the disadvantage of constantly generating torque or force in one direction.
For use in a cardan bearing of a gyroscope, the above-mentioned continuous force proves to be even more detrimental than large coefficients of internal friction. Second, measurements on various types of low-drift gyroscopes have shown that in high-quality, low-drift gyroscopes such as those used in inertial control systems, the main errors are not caused by friction in the gimbals, but rather by anisoelastic and thermal effects Effects that result from the heating of the motor and the rotor bearings.
Isoelasticity is to be understood as that property of a suspension or mounting device which ensures constant elastic properties in all directions.
The gyroscopic device according to the invention, in which the rotor is held on a rotatable frame, with respect to which the rotor can rotate with two degrees of freedom, is characterized in that a gas is used to support the rotor, a number of gas bearing devices arranged symmetrically to a point being available which are in connection with said frame, and that means for connecting a gas source to the frame are present.
The fact that the suspension, i.e. H. the frame itself is rotatable, a rotation of the same permanent rotation of the direction of the permanent torque generated by the gas layers is achieved, whereby the effect of said torque with respect to; the drift of the gyro device is neutralized. Although said rotation can take place at a speed which is considerably smaller than the rotation speed of the rotor, in preferred exemplary embodiments of the invention the said rotation is carried out in synchronism with the rotation speed of the rotor, whereby a simplification of the construction can be achieved.
The invention is described in more detail below using several exemplary embodiments with reference to the drawing.
1 and 2 show a perspective view and a section, respectively, of a gyroscope with gas bearings which uses a simple spherical rotor and six gas bearing nozzles.
3 shows schematically a system stabilized with the aid of a gyro device, which uses a gyro device according to FIGS. 1 and 2, in which no gas evacuation is used.
Fig. 4 shows a gas bearing as it is used in FIGS. 2 and 5, in section in perspective view.
5 and 6 show a perspective view and a section, respectively, of a gyro device which has an outer rotor which is carried by the central ball by four rods, the gyro device having an intermediate frame which contains four gas storage nozzles of simple construction according to FIG.
7 and 8 show a perspective view and a sectional view, respectively, of a gyroscope with an outer rotor, which is carried by eight rods, the gyro having six gas bearing journals with a single evacuation ring.
9 and 10 show a perspective view and a sectional view of a gyroscope with an outer rotor, which is carried by six rods, the intermediate frame consisting of a gas-tight housing, within which there are eight gas storage nozzles with double evacuation rings.
FIG. 11 shows a perspective view of a cut-off gas storage nozzle with a single evacuation ring, as is used in the exemplary embodiment according to FIGS. 7 and 8.
Fig. 12 shows an end view of a storage port with a single evacuation ring with one possible arrangement of the feed openings.
13 shows schematically a system stabilized by a gyro device, the gyro device using storage nozzles with a single evacuation ring according to the type shown in FIG. 11, the intermediate frame consisting of a gas-tight housing which is also evacuated.
14 shows a perspective view of the section through a gas storage nozzle with a double evacuation ring, as is used in the exemplary embodiment according to FIGS. 9 and 10.
15 shows an end view of the bearing pin shown in FIG. 14 with a double evacuation ring with a possible arrangement of the feed openings.
16 shows schematically a system stabilized by a gyro device, the gyro device using storage connections with a double evacuation ring of the type shown in FIG. 14, and the intermediate frame consisting of a gas-tight housing e which is also evacuated.
17 shows a perspective view of an embodiment of a gyroscope system with an outer rotor, which offers advantages in terms of construction, with four flat spokes holding the rotor from the central ball, and further eight gas storage nozzles being used to hold the central ball.
FIG. 18 shows in section the gyro device shown in FIG. 17 with further details, to the extent that the intermediate frame, as can be seen, is supported on ball bearings in a stationary main frame.
19 shows schematically a gyroscope, the rotatable rotor suspension of which consists of a conventional set of gimbals.
Fig. 20 shows schematically a gyroscope, the rotatable rotor suspension of which is practically equivalent to a set of conventional gimbals, but the rotor surrounds the gimbals to increase the moment of inertia of the rotor with respect to that of the gimbals.
21 shows schematically a gyroscope, the rotatable rotor suspension of which has the shape of a universal joint with four cylindrical gas bearings instead of a spherical gas bearing.
Finally, FIGS. 22 and 23 show end views of two bearing journals to illustrate two further types of the arrangement of the feed openings and the gas distribution.
In FIGS. 1 and 2, the rotor 1 consists of a spherical structure with two cylindrical cavities 2 at two diametrically opposite points, whereby a preferred axis of rotation is defined for the rotor, around which the moment of inertia is a maximum. The rotor 1, which is preferably made of some very stable material, such as quartz or any other high-density material, and is preferably hollow in order to achieve an optimal twist or angular momentum for the mass used, has a very precise external spherical shape and a high quality outer finish, so that it can act as a bearing surface which interacts with the precisely spherical end surfaces of the gas storage nozzle 3.
The six gas storage nozzles 3, which consist of hollow cylinders according to FIG. 4, extend inwardly from an intermediate frame 4, as can be seen from FIGS. 1 and 2, so that their end faces end close to the rotor surface. The storage nozzles 3 are arranged on three mutually perpendicular axes. Three of the storage nozzles are made of one piece with one half of the Zwischenrah mens 4, while the other three storage nozzles with the other half of the frame 4 are made from one piece. The gas is fed to the six nozzles through said frame 4 via a distribution system 5.
The bearing surfaces are made as large as possible in order to achieve maximum load-bearing capacity, but a certain space is provided between adjacent connecting pieces in order to avoid interaction.
The gas which is supplied to the chambers 6 within the nozzle 3 by the distribution system passes through six almost microscopic feed openings 7 to the storage nozzle on which the rotor ball 1 is mounted.
The surfaces of the cylindrical cavities 2 are prepared for any suitable sensitive removal system (not shown) e.g. B. capacitive or photoelectric type and used to determine the direction of the preferred axis of rotation of the rotor 1.
The intermediate frame 4 is mounted in mechanical bearings 8, as shown schematically in FIG. 3, and is driven by an external drive mechanism 9, such as. B. rotated by an electric motor or by a gas turbine. It can be seen that the friction in the bearings 8 has no effect on the accuracy of the entire device. If the intermediate frame 4 is rotated rapidly in the manner shown in FIG. 3 while the rotor 1 is supported in the gas bearings, the rotor 1 remains far behind, and of course a long time passes before the extremely low friction in the Gas bearings the rotor 1 on the Gec speed of the frame 4 brings.
In the usual practical cases, it is desirable to bring the rotor 1 almost immediately to the operating speed. This can be done by using a suitable entrainment mechanism (not shown) which connects the rotor ball 1 to the intermediate frame 4 during the start-up period and also during the run-out period. When the desired operating speed is reached, the drive mechanism releases the rotor 1, which then only rests on the gas bearings. As soon as the rotor 1 and the intermediate frame 4 move with one another, they will continue to do so because of the low bearing friction and wind effects, since the gas within the device also circulates with the moving parts, i.e. rotates.
A pump or high pressure gas source 10 supplies the gas through a rotary joint or gas slip ring mechanism 11 into the rotating gyro. The gas is passed through the channel 12 into the distribution system 5 and from there into the gas storage connection 3. Furthermore, an outlet channel 13 is provided through which excess gas is discharged, it being understood that the emerging gas can be returned to the gas source 10 and kept in circulation. The entire structure is mounted on a platform 14 or within a housing and rotatably mounted by means of a cardan system 15 so that the necessary degrees of freedom are obtained.
At the junction between the carriages and between the universal joint and the platform, customary organs (not shown) are provided for generating a torque, if necessary.
The very precise (not shown) removal device, which is provided between the rotor 1 and the inter mediate frame 4, detects any deviation in the position between these two parts, which results from any movement of the gyro-supporting
Vehicle results. The signals thus obtained become a highly sensitive one to be described later
Servo system supplied, which converts these signals into the necessary electrical pulses, which are fed to the correct organs serving to generate a torque in the cardan system 15, in such a way that the intermediate frame 4 is permanently aligned with the rotor 1 and the removal device remains in the zero position .
The sensitive Ahnahmevorrichtungen must determine any deviation in the alignment of the axis of the rotor 1 with respect to the intermediate frame 4 about all axes, with the exception of the axis of rotation, with respect to which the relative position is unimportant.
Figs. 1 and 2 show a gyro with six
Storage nozzles 3, which lie on three axes lying perpendicular to one another, so that the same storage is obtained in all directions. It should be noted, however, that any number of
Storage nozzle 3 can be used as long as there is a three-axis translation restriction. (For a gyroscope that has to withstand considerable acceleration forces in any direction, four or more are required for this direction
Nozzle required.) To achieve an optimal
Symmetry of storage one can use four, six, eight, twelve or twenty nozzles of the same size and shape, which are perpendicular to the centers of the
Areas of the five known regular polyhedra are arranged.
This gives a theoretically ideal isoelasticity when the intermediate frame is practically rigid.
It should be mentioned that the speed of rotation of the rotor and the intermediate frame need not be the same, and in fact it can be useful in certain cases to use different speeds of rotation for the parts mentioned. Of course, it is easiest if the two parts rotate at the same speed, as in this one
If the method to bring the rotor up to the required speed, only requires a simple take-away mechanism, while in the case in which the rotor rotates at a higher speed than the intermediate frame, in addition to the take-away mechanism, additional means must be provided, to get the rotor to its speed. bring to.
The usefulness and usefulness of an extraordinarily high-speed rotor is evident, however, when the application of the gyroscope, such as a ballistic missile, is taken into account, since the greatest accuracy is only available for a short period during the initial part of the
Flight is required. If the rotor is initially by some additional measure, such as. B. by magnetic induction is brought to a significantly higher speed than the intermediate frame, its speed will gradually decrease to the speed of the intermediate frame, as a result of the low friction that exists in the gas bearings.
This process can extend over a significant period of time, and significantly lower drift rates can be expected during this period, since the drift decreases with increased spin and increased angular velocity. Finally, when the rotor speed equals the speed of the intermediate frame, the two parts will continue to rotate at the same speed and from that moment on the normal drift rate of the gyro will appear. In this way, extremely small drift rates can be achieved during the initial period of operation.
It can be seen from FIGS. 5 and 6 that a smaller bearing radius and a larger rotor radius than in FIGS. 1 and 2 can be achieved simultaneously by using an outer rotor 16 which has a relatively large radius and spokes or support rods 18 is connected to a bearing ball 17 of a significantly smaller radius. FIGS. 5 and 6 also illustrate the principle already mentioned, according to which the bearing ball 17 is held by only four bearing supports, which are oriented like the surfaces of a tetrahedron.
These storage nozzles 19 are passed through openings 20 in the outer rotor. Therefore, in principle, the operation is the same as in the previous exemplary embodiment, with the exception that the use of a significantly smaller bearing radius results in reduced bearing friction.
Although the bearing supports 19 in FIGS. 5 and 6 are made in one piece with the intermediate frame 21, they are preferably manufactured as separate pieces and attached to the frame 21. The gas sliding into the frame 21 is introduced by a distribution system 22 into the chambers 23 in the pin 19, from which it exits through the openings 24 into the bearing surface. In the bearing ball 17, small recesses 25 are provided at the connection points with the rotor spokes 18 in order to facilitate the welding of these spokes to the ball without the geometrically precise surface of the bearing ball 17 suffering deformation or damage. Circular openings 26 are provided in the outer rotor 16, which provide surfaces for the detection system (not shown).
The entire rotor structure can advantageously be made of quartz, which is known to be extremely stable.
The bearing supports 19 of FIGS. 5 and 6 are designed essentially in accordance with FIG. However, there are other support constructions, such as those used e.g. For example, FIGS. 11 and 15 can be used and in some circumstances even advantageous to correct certain aerodynamic errors which result from the damping effect of the gas which occurs between the rotor 16 and the rotor housing or intermediate frame 21.
In the embodiment according to FIGS. 5 and 6, only a limited relative movement between the rotor 16-18 and the intermediate frame 21 is possible.
7 and 8 show a further embodiment with an outer rotor, six bearing supports 27 arranged perpendicular to one another being used. The construction of these supports 27 is an example of a somewhat more complicated type of support which uses a single suction ring 28, which is better seen in Figs. In this case, gas is pressed under high pressure through the distribution system 29 into the feed pipes 30 and from these into the high-pressure chambers 31, from which the gas passes through very small feed openings 32 to the bearing surface. Small grooves 54 may be necessary between the openings 32 and the ring 28, just enough to avoid vibrations.
When the gas moves over the surface of the connecting piece and through the mentioned grooves, if these are present, it reaches the suction ring 28, from which it is sucked off through the openings 33 into the vacuum chamber 34 and through the distribution system 35. An even higher vacuum is generated in the gas-tight housing 36 (which serves as the rotating intermediate frame of this gyroscope) in order to suck off any gas residues that have accidentally passed through the suction ring 28.
With such an evacuation system, errors due to aerodynamic damping effects can be largely reduced. The bearing journals 27 extend from the inner surface of the rotor housing 36 through openings 37 in the outer rotor 38 to close to the bearing ball 39. The outer rotor 38 is held from the ball 39 by eight rotor bars 40, which are oriented in the same way as the surfaces of an octahedron ( or like the corners of a cube).
Where the rods 40 meet the bearing ball 39, openings 41 are again provided in the ball surface in order to facilitate the construction. The flat surfaces 42 on the upper and lower sides of the rotor 38 form removal surfaces.
9 and 10 show another variant of a gyroscope with an outer rotor, eight bearing nozzles 43 being used which are oriented in the same way as the surfaces of an octahedron. As in the previous cases, the nozzles 43 extend from the gas-tight housing 44 (which forms the intermediate frame) through openings 45 in the outer rotor 46. A set of six perpendicular quartz rods 48 is welded to the spherical bearing 47, which is made of quartz hold the outer rotor 46, which is also made of quartz.
Recesses 49 are again provided in the rotor surface at the welding points. The upper and lower sides of the outer rotor 46 are cut away so that two flat surfaces 50 are created for the removal. It can be seen that three chambers are provided in each of the studs 43. This further developed nozzle construction is shown in greater detail in FIGS. 14 and 15, with two separate evacuation rings being provided which surround the bearing surfaces. The smallest chamber 51 supplies gas under high pressure to the very small bearing feed openings 89 via a disk-shaped chamber 90, while the medium-sized chamber 52 is used to exert a moderate suction on the inner ring 91 of the nozzle, namely through the connecting openings 92.
The largest chamber 53 exerts a significantly greater suction on the second or outer evacuation ring 93 through the connecting openings 94. In this construction, the housing 44 is under an even higher vacuum in order to evacuate gas residues which were able to escape via both evacuation rings.
13 shows schematically a platform stabilized by means of a gyro device, a gyro device having a bearing support with a single evacuation ring being used (as shown in FIGS. 7, 8, 11 and 12). The intermediate frame of this gyroscope consists of a gas-tight housing 36 which is mounted on mechanical bearings 61 and is set in rotation by a drive system 62. The pump 63 supplies gas under high pressure via the rotary joint 64 into the channel 65, through which the high pressure gas is supplied to the position supports via a suitable distribution system in the housing 36.
The gas emerging from the feed openings 32 (FIG. 11) is sucked into the evacuation ring 28 (FIG. 11) and sucked off via the evacuation channel 66 into a gas slip ring formation 67. The vacuum pump 68 sucks the gas from the slip ring formation 67 and, if necessary, releases it via the pipe 69 to the pressure pump 63, if it is desired to keep the gas in circulation.
The vacuum pump 70 sucks gas through another slip ring structure 71 from the gas-tight housing 36 via the channel 72 which is arranged within the rotating structure. The gas sucked off by the vacuum pump is fed via the pipe 73 to the vacuum pump 68, where it is brought together with the gas from the evacuation ring. The servo system shown schematically in this figure works as follows:
The entire system described so far is mounted on a main frame 74 which, as before, is gimbaled. The gimbals 75 allow the main frame 74 to rotate about two axes.
The gear 76 attached to the platform 74 is connected to the motor 77 attached to the cardan ring 75 via a gear 78. The gimbal ring 75 is mounted in a gear box 79 which can be rotated by the motor 80 so that there are two axes of rotation for the main frame 74. The sensing devices (not shown), which lie between the rotor and the intermediate frame 36, supply electrical impulses, which indicate the relative positions of the said two parts, to the synchronous demodulator and amplifier 81 via electrical slip rings (not shown) and the inputs 82.
A synchronizing device 83 is provided on a suitable part of the intermediate frame 36, and a contact arm 84 in contact with this device 83 delivers an interrupted signal or pulses to the synchronized demodulator 81 via the input 85 for the purpose of reducing the signals to the main frame 74 rather than the intermediate frame 36. The output 86 of the amplifier 81 is connected to the link conductor 87 of the motor 77 to control the inclination of the main frame 74, while the output 88 of the amplifier 81 is used to control the motor 80 for azimuth corrections.
In this way, the alignment is always maintained within a very small angle.
The more precise the alignment thus obtained, the more meaningful is the property consisting of zero static friction, such as gas bearings have. Accordingly, the servo system for the main frame 74 should preferably be of very sophisticated form so that it is able to maintain alignment within a very small fraction of a degree (for simplicity of illustration the figure shows such a system only in fairly crude form ).
It can be seen that, with the aid of the synchronization system 83, the information obtained between the rotor 38 and the intermediate frame 36 is transformed into direct information about the rotor position with respect to the main frame.
It should be mentioned that a pick-up system could just as effectively be placed directly between the rotor and the platform, in which case the need for synchronization and demodulation for obtaining the rotor location information between the rotor housing and the platform would be eliminated. Such a pick-up system can be produced in various ways, for example by using an intermediate frame with a transparent part and using a photoelectric pick-up device which works directly between the platform and the acquisition surface of the rotor.
Furthermore, the torque generating members for the above-mentioned system, although represented by the drive motors 77 and 80 connected by gears, may in a practical case protrude from any torque generating mechanism and a platform suspension. (The mode of operation of this system is exactly the same as that of FIG. 3, and one can easily assume that the servo system of FIG. 13 is also used in FIG. 3.)
The basic gyro system using storage nozzles with double evacuation rings is shown schematically in FIG.
Here the intermediate frame 98 consists of a gas-tight housing and is supported by mechanical bearings 99 and set in rotation by any suitable drive mechanism 100. A high-pressure pump 101 drives gas through the pipe 102 and the rotary joint 103 into the channel 104, from which the gas is supplied to the various storage connections via a distribution system in the rotor housing 98. The exiting gas in each storage port is directed into the first or inner ring 91 (FIG. 14) of each port, from where the gas is led into the first vacuum channel 105. The vacuum pump 106 sucks the gas from the channel 105 th case four flat members 121 are used to connect the outer rotor 120 to the bearing ball 122. In the present case, the outer rotor 120 does not have any passage openings for the connecting pieces 119.
Instead, the rotor is made sufficiently narrow that no such passage openings are necessary. Thanks to this fact, the present embodiment, like that of FIGS. 1 and 2, can be operated in such a way that its rotor (120, 121, 122) rotates faster than the intermediate frame 123, provided that the connecting pieces 119 are sufficiently narrow to accommodate the Movement of the rotor support members 121 not to hinder. The use of a removal device for the axis of rotation is therefore optional, so that it can be dispensed with in this case. The storage nozzles extend from the inner wall of the intermediate frame 123 inward. The bearing ball 122, to which the flat members 121 are welded, in turn has recesses 124 at the connection points in order to facilitate the construction.
The pressure channel 125 and the single evacuation channel 126 shown in FIGS. 17 and 18 indicate that the nozzles 119 are of the type using a single evacuation ring. However, depending on the application of the present construction, the use of storage nozzles is usable with any evacuation system. The flat surface on the top of the outer rotor 120 is provided with a conductor the coating 127 for removal purposes, the removal devices themselves not being shown.
FIG. 18 shows how the gyroscope of FIG. 17 is supported in a main frame 136 with the aid of ball bearings 128. The high-pressure feed channel 129 opens into the distribution system 130, which distributes the gas to the storage connections 119. A similar suction channel 131 with an associated distribution or collection system is used to empty the evacuation ring. Of course, additional measures can be taken to evacuate the rotor housing 123. In FIG. 18, capacitive pick-up devices 133 are also shown, which are held in the vicinity of the conductive ring 127 by insulating rods 134. If symmetrical take-off is preferred, conductive rings and take-off devices could be provided on both the top and bottom of the rotor.
The insulating rod 135 carries a further removal device for determining the relative angular position with respect to the axis of rotation.
It has already been mentioned above that an important new feature is the rotatable rotor suspension described here, which supports a rotor with respect to an intermediate frame and uses gas bearings to allow two degrees of freedom of inclination of the rotor axis, with means being provided to the intermediate frame ( with the rotor speed or a lower speed) in rotation, so that the permanent torques, which are generated by any imbalance in the gas bearings, cancel each other out.
It should be emphasized that, although the embodiments described above use a central spherical gas bearing, one is not limited to this type of gas bearing, but can be used to other types of systems, which in the rotatable rotor suspension a combination of several journal bearings instead of a single spherical bearing use.
19 shows a variant which uses gas journal bearings. In this exemplary embodiment, an intermediate frame 140 carries a rotor 141 which is gimbal-mounted in a known manner and which is mounted in a first gimbal ring 142, which in turn is connected to the intermediate frame 140 via a second gimbal ring 143. The gas journal bearings 144 give the second cardan ring 143 a degree of freedom of inclination with respect to the intermediate frame 140, while the gas journal bearings 145 give the first cardan ring 142 a further degree of freedom of inclination with respect to the cardan ring 143. Thus, the entire rotor suspension provides two degrees of freedom of inclination for the rotor with respect to the intermediate frame.
This intermediate frame 140 is now set in rotation within a suitable main frame 146 by a drive means 147. The bearings between the intermediate frame 140 and the main frame 146 can be of any conventional type, e.g. B. ball bearings. The speed of rotation of the frame 140 is preferably significantly less than the speed of rotation of the rotor 141 and is, for example, one or a few revolutions per second.
This simple measure, which consists in rotating the intermediate frame 140, neutralizes the errors generated by the permanent torque of the gas bearings. It goes without saying that a motor r (not shown) must still be provided in order to rotate the rotor 141 with respect to the cardan ring 142. The heat generated by this motor and the rotary bearings of the rotor is destroyed in the gimbals that form the rotatable rotor suspension. It should be noted that the entire construction is somewhat less rigid and is therefore subject to a greater anisoelastic error than the aforementioned exemplary embodiments.
20 shows a further, essentially equivalent embodiment, in which a rotor 150 is held by a first cardan ring 151, a second cardan member 152 and an intermediate frame 153. In this exemplary embodiment, the cardan element 152 is designed in a cross shape, so that the complete suspension of the ring 151 from the intermediate frame 153 has the shape of a conventional universal joint, as has previously been used in gyroscopic devices of lower or medium quality.
Two gas journal bearings 154 and two other similar bearings 155 give the rotor 150 two degrees of freedom of movement with respect to the intermediate frame 153, the gas being fed to these bearings through gas slip rings and passages, not shown, as in the exemplary embodiments already described. The rotor 150 is supported by conventional ball bearings 156 in the ring 151 and driven by a motor 157, the supply of the motor 157 z. B. takes place via the ring 151.
The complete structure just described with the intermediate frame 153 and all other parts held by this frame is now set in rotation in the main frame 158 by a suitable drive 159. In this embodiment too, the speed of rotation of the intermediate frame is preferably significantly less than the speed of rotation of the rotor 150.
Another embodiment of the subject matter of the invention is shown in FIG. This is essentially a circular device with a straight universal joint and is equivalent to the gyro device which is used in the Ferranfi gyro target device Mark 4E, which is shown on page 325 in The Gyroscope Applied by K. 1. T. Richardson.
The working of such a universal joint gyro device was examined in part theoretically and in part experimentally by Professors RN Arnold and L. Maunder and is described in an article on The Motion due to Slow Precession of a Gyroscope Driven and Supported by a Hooke's Joint, which appeared in the Institution of Mechanical Engineers magazine in Great Britain in 1951.
In this article, written by the professors mentioned above, it was shown that the wind and friction effects in the universal joint bearings cause an alignment of the rotor axis, that is, a self-alignment of this axis with the axis of rotation of the supporting intermediate frame, but with a special kind of moment of inertia of the cruciform rotating member, that the rotor axis precession. These two movements are far too large to be permitted in a circular device with little drift.
In the following it will now be shown how such a universal joint gyro device, which has so far been found to be completely unsuitable for applications with low drift, can be made to deliver very good results by combining various measures. First, the four journal bearings at the four ends of the cross-shaped member are replaced by gas bearings, which preferably have several evacuation rings so that most of the gas can be discharged before it escapes from the bearings into the surrounding space.
Second, the entire gyroscope is housed in a gas-tight housing, which rotates with the gyro and is evacuated to a low gas pressure. Third, a spring arrangement is provided which provides a suitable elastic restraint between the intermediate frame and the rotor.
In FIG. 21, the intermediate frame (or the intermediate member) 165 in the main frame member 166 is set in rapid rotation by the drive 167. In the device shown, the intermediate frame is only supported on the underside by the main frame member 166, but a support member (not shown) of the main frame is preferably also provided on the upper side. The rotor 168 is mounted on the intermediate frame 165 by a cruciform rotating member 169.
This member 169 is rotatably attached to the intermediate frame 165 via two gas journal bearings 170 (only one of which is visible), and the member 169 is rotatably attached to the rotor 168 by two further gas journal bearings 171. These gas bearings are fed with high pressure air or high pressure gas via the channel 172, which extends to the gas bearings 170 through passages in the frame 165. These gas bearings not only act as bearings, but also as gas slip rings, via which the high-pressure gas is fed to the cross-shaped member 169, which also feeds this gas to the gas bearing 171. (The same also applies to the exemplary embodiments according to FIGS. 19 and 20). A slip ring arrangement (not shown) serves to feed the gas to the channel 172.
A set of springs 173 is provided between the intermediate frame 165 and the rotor 168.
While only two springs are shown for the sake of simplicity, it should be understood that there may be four or six or any number of springs as desired. Of course, these springs can also have a different shape than the shape shown.
For example, one torsion spring can be present between the member 169 and the rotor and another between the member 169 and the intermediate frame 165, in place of a spring which extends directly between the intermediate frame 165 and the rotor 168.
The correct choice of the elasticity constants of the springs with regard to the desired rotational speed and the particular moment of inertia of the organ 169 can in each case best be determined by experiments. If the organ 169 is completely symmetrical, the elastic restraint between the parts 165 and 168 should be the same in all directions of inclination.
The permanent torque of the gas bearings 170 and 171 does not produce any undesirable precession of the rotor axis in any direction, since the constant rotation of the axes permanently neutralizes this effect. The wind effect and the low viscous friction in the throttle pivot bearings cause the rotor to tend to align with the axis of the intermediate frame 165, but each of these effects approaches zero as the angle of inclination between the intermediate frame 165 and the rotor 168 decreases.
It can be seen, however, that despite this wind effect and the effect of viscous friction, the drift of the gyro device can be reduced below any desired value, and only by using the device in a sufficiently good stabilization system, which is constantly with the axis of rotation of the intermediate frame 165 the axis of rotation 168 keeps aligned. This property, according to which the drift approaches the value zero when the angle of inclination approaches the value zero, is not a property of the known universal joint gyro device, and moreover it can be assumed without further ado that the usefulness of the above-mentioned combination of measures is not yet in Has been considered.
Theoretically, another small drift effect is generated by the moments of inertia of the intermediate frame 16, 165 and the drive means 167, which counteract the slight acceleration and deceleration of the frame 165, which result from the angle of inclination between the rotor axis and the drive axis. In practice, however, this effect causes a third-order drift, which quickly approaches the value zero, if the angle of the alignment error is reduced, so that this effect can usually be neglected for small angles.
However, if this effect has a disruptive effect, it can be reduced, specifically only by a suitable choice of the torsional elasticity of the shaft 174, so that a resonance arises at the desired rotational speed. This is best done through experiments in the following way: After first the desired linear effects (or first-order effects) of the moment of inertia of the cruciform organ have been reduced by appropriate setting of the springs 173 with a very small angular deviation between the drive axis and the rotor axis , by considerably increasing the angle between these axes, it is ensured that the effects of the third order, e.g.
B. the third order effect caused by the moment of inertia of the organs 165 and 167, begin to assume considerable values, whereupon these effects are then reduced through experimentation by making the shaft 174 thinner so that the error in question is approximately the desired Rotation speed is reduced to the value zero.
Figures 22 and 23 show some preferred forms of support stubs which can be used in various of the embodiments described above which use a spherical central bearing. Numerous other practical applications and arrangements of the feed openings and feed grooves are also useful and effective, so that the arrangements shown here are only to be regarded as examples.
The nozzle of FIG. 22 has a series of six nearly microscopic feed openings 180 as shown in FIGS. 11 and 12. In the present embodiment, however, these openings are connected to one another by a narrow, shallow, almost or completely circular compensating groove 181, the cross-sectional area of which has approximately the same diameter as one of the openings 180. The two diameters are preferably equal to one another in a ratio of 2: 1 up to 1: 2. This type of compensation groove is particularly effective for increasing the load-bearing capacity of the bearing without significantly increasing its tendency to vibrate.
If there is a tendency for vibrations to occur, this can be eliminated by using very small drainage grooves or cracks which extend from the openings 180 (or, what is less favorable, from another part of the groove 181) radially to the edge of the The bearing extend outwards, or by setting the surface straight outside the groove 181, so that this set-off surface part lies somewhat deeper than the bearing surface within the groove. In such a case, the distance between the two planes of the surfaces for usual sizes of bearings, as they can be used in gyroscopes, must be small in the order of magnitude of 10-6 mm.
The area of the mentioned drainage groove or the depth of the mentioned paragraph should be only slightly larger than necessary in order to avoid vibrations with certainty.
Figure 23 shows another form of construction which is somewhat less effective in theory but significantly easier to manufacture in practice. In this construction, the six almost microscopic feed openings of the other exemplary embodiments are replaced by a single, somewhat larger feed opening 190, which supplies gas through six distribution grooves 191 to the outlet 192.
The total depth and width of each groove 191 is to be selected so that a cross-section arises that is roughly twice as large as the cross-section of the equalizing groove 192 (preferably between 1.5 and four times as large). This groove 192 should have a cross-section in the order of magnitude 1 / N times that of the central opening, where N is the number of radial distribution grooves (in the present case N = 6). Preferably, the cross-section of the groove 192 is between 1.2N and 412N times that of the opening 190.
It goes without saying that the preferred forms of bearing support, such as those shown in FIGS. 22 and 23, can be substituted for the simpler forms such as those shown in the preceding figures where spherical bearings are used.
In those examples which require evacuation rings, the same arrangement of the feed openings and distribution grooves as shown in FIGS. 22 and 23 can be used, although the suction rings on the outside have to be added.
Of course, any of the gyroscopic device shapes which use central spherical bearings can have a double, single or even no suction groove, although only a few such combinations are shown here.
In general, in cases where the enclosure is evacuated, the pressure in the enclosure should be below lilo atm. and where a suction ring and an evacuation of the housing are used, the pressure in the housing should be below 1/30 and preferably below 100 atm. being held.
When using two suction rings, the pressure should be below 1,200 and preferably below 1,100 atm. being held.
In all cases of vacuum created in several stages - be it by using a suction ring or an evacuated housing or by using a suction ring followed by another such ring - the ratio of the pressures should be chosen so that more than 80 percent by weight of the gas entering a given ring or housing can be evacuated by it so that less than 200/0 can seep through to the next stage. The stated percentages should preferably be above 900/0 or below 10 ovo.
The simple, essentially spherical rotor according to FIGS. 1 and 2 is preferably used in most cases. In such a rotor, at least 25 / o of its equivalent outer surface should preferably be machined in such a way that a precise spherical surface e is created which is intended to interact with the gas storage connection.
In certain special applications where an extremely small drift is so important that, in addition to this, all considerations regarding size, weight, complexity and costs have to be neglected, and if at the same time the requirements regarding shock resistance, vibration resistance and acceleration security are not too strict, a more complicated rotor is preferred , which has inner and outer parts. When using such a rotor, the ratio between the outer radius and the radius of the bearing ball should be greater than 2: 1 (and preferably greater than 3 1) and the ratio of the moments of inertia of the entire rotor and the bearing ball greater than 20: 1 (and preferably greater than 100: 1).
In all such complicated rotors, the size of the bearing nozzles, the spokes, the depressions and imprecise surface parts around the spokes should be such that at least Illo and preferably 1/5 of the surface of the spheroid has a practically absolutely precise spherical surface, which corresponds to the bearing nozzles cooperates. The fraction of the surface which actually bears the load can be significantly smaller, since the above-mentioned fractions comprise the total area of the storage nozzles, including the evacuation rings and the surface parts lying between these rings.
Preferably, however, the area actually used for storage should not be less than 1/20 of the total equivalent area of the spheroid. (The total equivalent area of the spheroid is the area that it would have if its perfect spherical surface were to expand so far that a complete spherical surface is created.)
Where it is necessary to increase the effective bearing area of the storage sockets, these can be widened until they touch, or they can be widened even further so that adjacent sockets touch along a considerable part of their circumference.
In all cases, however, at least half of the circumference of each nozzle should preferably be kept free of all other nozzles, so that at least half of the circumference is available for the gas to exit into the housing or into a suction channel. Also, no more than half of the circumference of any nozzle should be in contact with other nozzles in order not to be excessively exposed to the effects of other nozzles. Where a suction ring or a suction channel surrounds the actual effective part of a nozzle or lies between this part of a nozzle and that of the next nozzle, this ring or channel is not to be regarded as part of the common boundary.