Kreiselgerät
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kreiselgerät hoher Genauigkeit und mit geringer Drift, und ins- besondere ein Kreiselgerät, bei welchem die Drift beinahe auf Null abnimmt, wenn der Hauptrahmen desselben in nahezu genauer Ausrichtung mit der Motorachse gehalten wird.
Im Schweizer Patent Nr. 374210 ist ein neuartiges Kreiselgerät beschrieben, welches eine drehbare Rotor-Aufhängung aufweist, welche Gaslager verwendet, um sich die sehr geringe Haftreibung solcher Lager zu Nutze zu machen, und welche gleichzeitig die Fehler vermeidet, welche sich normalerweise aus dem Vorspann-Drehmoment oder dem unausgeglichenen Drehmoment im stationären Zustand ergeben und allgemein solchen Lagern eigen sind. Unter drehbarer Rotoraufhängung ist irgend eine Halterungsvorrichtung zu verstehen - ob nun in der Form üblicher Kardanringe oder eines inneren Kreuzgelenkes, oder irgend einer anderen Form, welche den Rotor vom Hauptrahmen aus haltert, und zwar derart, dass die Rotorachse mindestens zwei Freiheitsgrade bezüglich des Hauptrahmens aufweist.
Diejenigen Teile, welche infolge der drehbaren Aufhängung eine Relativbewegung ausführen, liegen in einem mässigen Vakuum, wodurch die Gas-Dämpfung der Bewegungen infolge der drehbaren Aufhängung weitgehend vermindert wird. Die Driftgeschwindigkeit dieses Kreiselgerätes nimmt nahezu ohne Grenze ab, wenn der Winkel zwischen der Rotorachse und der entsprechenden Achse des Hauptrahmens des Kreiselgerätes gegen Null abnimmt, so dass es möglich ist, eine beinahe unbegrenzte Systemsgenauigkeit zu erhalten, und zwar lediglich dadurch, dass man ein genügend genaues System zur Ausrichtung der Plattform vorsieht, um die Plattform mit dem Kreiselrotor mit sehr hoher Genauigkeit ausgerichtet zu halten. Ausserdem eignet sich dieses Kreiselgerät an sich für vollständig oder nahezu vollständig isoelastische Konstruktionen.
Das mit einem Gaslager versehene Kreiselgerät weist ein kugelförmiges Organ auf, welches mit Hilfe von vier oder mehr getrennten Lagerzapfen gelagert ist, so dass drei Rotations-Freiheitsgrade gewährleistet sind. Das verwendete Gaslager zeichnet sich aus durch eine Selbsteinstellung in allen Lagerzapfen und durch eine vollständige Isolation jedes Zapfens von den Druck änderungen in benachbarten Lagerzapfen.
Ein Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, in einem Kreiselgerät mit Gaslager die Halterung des kugelförmigen Rotors zu verbessern, und zwar derart, dass während des Stillstandes des Kreiselgerätes der Rotor die Hohlkugel, in der er sich befindet, nicht berührt.
Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, innerhalb der Zapfenlager und insbesondere dem Rahmen des Kreiselgerätes verbesserte Mittel für den Einlass und den Auslass des Gases zu ermöglichen.
Das erfindungsgemässe Kreiselgerät weist eine Hohlkugel, eine Anzahl Zapfenlager zur drehbaren Lagerung der Hohlkugel, einen sphärischen Rotor und Mittel zur Halterung des Rotors innerhalb der Hohlkugel auf, wobei diese Mittel eine Anzahl Gaslager aufweisen, um den Rotor derart zu haltern, dass er bezüglich der Hohlkugel rotieren kann, wobei weiter der Rotor Lagerflächen aufweist, die mit den Gaslagern zusammenwirken. Das Kreiselgerät ist erfindungsgemäss gekennzeichnet durch eine Anzahl Organe, um den Rotor statisch derart zu haltern, dass er mit der Hohlkugel nicht in Berührung kommt, wobei die genannte Anzahl von Organen eine Anzahl feststehenden Organe auf einer Seite einer Aequatorialebene liegen, welche die Hohlkugel und die Rotorkugel je in zwei gleiche Teile teilt, und wobei die be weglichen Organe auf der anderen Seite der Aequatorialebene liegen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die als Rahmen dienende Hohlkugel eine Anzahl Oeffnungen auf, wobei jedes bewegliche Organ in einer Oeffnung untergebracht ist, ein Teil des beweglichen Organs in den Innenraum der Hohlkugel ragt und mit dem Rotor in Berührung steht. Durch eine Kappe wird das bewegliche Organ innerhalb der Oeffnung gehalten, und weiter sind elastische Mittel in der Oeffnung zwischen der Kappe und dem beweglichen Organ vorgesehen, um dieses Organ nach innen in Richtung des Rotors zu pressen.
Weiter sind im Rahmen auch Mittel vorgesehen, um dem beweglichen Organ Gas zuzuführen, so dass der Gasdruck in Verbindung mit der auf den Rahmen wirkenden Zentrifugalkraft beim Betrieb des Kreiselgerätes ein Teil der Kraft kompensiert, welche durch die elastischen Mittel ausgeübt wird, wodurch das bewegliche Organ vom Rotor weg bewegt wird, so dass dieser beim Betrieb des Gerätes durch die Gaslager frei gehaltert wird.
Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigen:
Die Fig. 1 eine Ansicht eines Kreiselgerätes in Richtung der Rotationsachse von der Motorseite des Kreiselgerätes der Fig. 7 gesehen; die Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1; die Fig. 3 einen längs der Linie 3-3 der Fig. 2 geführten Schnitt; die Fig. 4 eine vergrösserte Ansicht eines der in der Fig. 2 im Querschnitt gezeigten Gaslagerzapfen; die Fig. 5 eine Obenansicht des Gaslagerzapfens der Fig. 4; die Fig. 6 eine vergrösserte Ansicht eines beweglichen Verschlusszapfens, welcher in der Fig. 2 im Schnitt gezeigt ist, und die Fig. 7 ein Schema eines kreiselstabilisierten Systems, welches das Kreiselgerät gemäss der Erfindung verwendet.
In den Fig. 1, 2 und 3 ist ein äusserer kugelförmiger Zwischenrahmen 1 gezeigt, welcher zylindrische Endteile 2 und 3 für die Lagerung aufweist. Im Innern des Zwischenrahmens 1 ist ein gestrichelt dargestellter kugelförmiger Rotor 4 untergebracht, welcher vorzugsweise aus einem Material hoher Stabilität, wie beispielsweise Quarz oder einem anderen Material sehr hoher Dichte besteht und vorzugsweise hohl ist, um für die verwendete Masse einen möglichst grossen Drall zu erhalten. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein zylindrischer Hohlraum 5 vorhanden, welcher den Rotor 4 durchsetzt und die zylindrischen End-Hohlräume 6 und 7 miteinander verbindet, welche einem grösseren Durchmesser aufweisen als der Hohlraum 5, so dass der Rotor eine vorgegebene Drehachse aufweist, bezüglich welcher das Trägheitsmoment einen maximalen Wert aufweist.
Der Hohlraum 5 ist vorzugsweise so gestaltet, dass sein Durchmesser ungefähr ein Drittel des Durchmessers des Rotors 4 ist. Der Rotor 4 weist eine sehr genaue äussere sphärische Form und einen hoch qualitativen äusseren Finish auf, so dass er als Lageroberfläche wirken kann, welche mit den genau sphärischen Endflächen 7a der Gaslagerzapfen 8 zusammenwirkt. Bei dem in den Figuren dargestellten Beispiel sind sechs Lagerzapfen 8 vorhanden, welche zylindrisch sind und sich von der Innenseite des Zwischenrahmens 1 nach innen erstrecken, so dass ihre konkaven Endflächen an die sphärische Oberfläche des Rotors 4 angepasst sind und diese beim Betrieb des Gerätes beinahe berühren.
Die Lagerzapfen 8 sind paarweise auf drei zueinander senkrechten Achsen angeordnet. Drei dieser Zapfen sind mit einer Hälfte des Zwischenrahmens 1 aus einem Stück gefertigt, während die anderen drei Zapfen mit der anderen Hälfte dieses Rahmens aus einem Stück gefertigt sind. Durch die Oeffnungen 9 im zylindrischen Endteil 2 wird Gas unter hohem Druck eingelassen und über das Verteilsystem 10 und 11 der Innenkammer 12 innerhalb der Gaszapfenlager 8 zugeführt. Der Zwischenrahmen 1 ist wie schon erwähnt aus zwei Hälften 13 und 14 aufgebaut, welche sich längs eines Aequators berühren, welcher durch die Linie 3-3 bezeichnet ist. Für Entnahmezwecke (z. B.
Kontroll- oder Steuerzwecke) ist ein flacher optischer Spiegel 15 vorgesehen, welcher im Hohlraum 6 untergebracht ist, und weiter ein zylindrischer Hohlraum 16 im zylindrischen Endteil 3, welcher durch eine durchsichtige Scheibe 1 6a hermetisch verschlossen ist, um einen Austritt von Gas aus dem Zwischenrahmen zu verhindern und den Durchtritt eines Lichtstrahles einer ausserhalb des Rahmens 1 liegenden Lichtquelle und des vom Spiegel 15 im Hohlraum 6 reflektierten Lichtstrahls zu gestatten. Im Hohlraum 7 ist eine durchsichtige Ausgleichsscheibe 17 vorhanden, welche sowohl hinsichtlich Gewicht als auch Massenverteilung gleiche Eigenschaften aufweist wie der Spiegel 15 im Hohlraum 6, um das Gewicht des Spiegels im Hohlraum 6 auszugleichen.
Das Gas, welches von den Gaslagern 8 in den Innenraum des Zwischenrahmens gelangt, wird dann mit niederem Druck durch den Auslass 18 im Endteil 3 abgeführt.
Die Fig. 4 und 5 zeigen die Konstruktion eines Lagerzapfens 8 mit Einzelheiten. Der Kammer 12 wird über die Kanäle 10 oder 11 Gas unter hohem Druck zugeführt. Eine Speiseöffnung 1 9a bedeutend kleineren Durchmessers als die Kammer 12 verbindet die radialen Rillen 20 in der Oberfläche 7a mit der Kammer 12. Im vorliegenden Falle sind sechs radiale Rillen vorgesehen, obwohl diese Zahl grösser oder kleiner gewählt werden kann. Die verjüngte Oberfläche 21 vermittelt einen allmählichen Uebergang von der Kammer 12 zur Oeffnung 19a, um plötzliche Aenderungen in den Abmessungen des Kanals zu vermeiden, welche der Gasströmung einen Widerstand ent gegenhalten würden. Die Kammer 12 und die Oeffnung 19a sind auf der Längsachse des Lagerzapfens 8 angeordnet.
Eine zur Oeffnung 19a konzentrisch verlaufende ringförmige Rille 22 verbindet die äusseren Enden der radialen Rillen 20. Diese Speiseanordnung bewirkt eine Verteilung des Gases über eine grosse Fläche, so dass die Gasgeschwindigkeit bedeutend kleiner als 1/o Mach 1 sein kann, während gleichzeitig das Volumen des Verteilhohlraums möglichst klein gehalten wird, um Unstabilitäten zu vermindern. Diese Anordnung verhindert, dass das Gas in den Lagerraum mit einer Geschwindigkeit einströmt, welche den Wert Mach 1 oder mehr erreichen kann und dabei eine ernsthafte Strömungsunsymmetrie bewirken kann, wodurch Drehmomente entstehen würden, welche nicht ausgeglichen oder aufgehoben werden können. Für optimale Ergebnisse sollten die radialen Rillen 20, welche in die ringförmige Rille 22 einmünden, ungefähr 1,4 mal weiter sein als die ringförmige Rille.
Die maximale Wirkung der Gasströmung wird dann erhalten, wenn der Querschnitt der radialen Rillen und der ringförmigen Rille eine halbelliptische Form aufweist, wobei die Tiefe und die maximale Breite angenähert gleich sind, obwohl selbstverständlich auch ein Rechteck- oder Dreieck-Querschnitt mit Vorteil verwendet werden kann, um einen sehr kleinen Druckabfall zwischen der Speiseöffnung 19a und der Rille 22 zu gewährleisten.
Um den Rotor während der Betriebsunterbrüche des Kreiselgerätes richtig zu haltern, ist ein Käfig Mechanismus vorgesehen. Dieser verhindert eine Beschädigung der Rotoroberfläche durch die Lagerzapfen während der Handhabung, des Transportes und der Installation, wenn kein Hochdruckgas den Lagerzapfen zugeführt wird. Durch diesen Mechanismus wird der Rotor mit dem Zwischenrahmen verbunden, so dass es möglich ist, den Rotor rasch auf die Betriebsgeschwindigkeit zu bringen, und ausserdem ein Fallen oder Taumeln des Rotors verhindert, wenn seine Drehgeschwindigkeit zu klein wird. Der genannte Mechanismus besteht aus drei feststehenden Zapfen 23 und drei beweglichen Zapfen 24. Selbstverständlich kann für die Erzielung des gewünschten Zwecks eine grössere oder kleine Anzahl von Zapfen zur Verwendung gelangen.
Die festen Zapfen liegen in einer Hälfte 14 des Zwischenrahmens 1 und die beweglichen Zapfen in der anderen Hälfte 13 des Zwischenrahmens. Im Idealfall würden diese Zapfen auf drei zueinander senkrechten Achsen stehen, wie dies für die Lagerzapfen 8 zutrifft, wobei aber diese Achsen gegenüber denjenigen der Lagerzapfen verschoben wären. Es ist jedoch nicht nötig, die Zapfen des Käfigmechanismus auf diese Weise anzuordnen, und vorzugsweise werden sie sogar näher dem Aequator des Zwischenrahmens oder in einem grösseren Abstand von diesem Aequator angeordnet als die Lagerzapfen, so dass ihre Kontaktstellen ausserhalb der Berührungszone der Lagerzapfen am Rotor liegen.
Die Zapfen des Käfigmechanismus liegen vorzugsweise in der Nähe der Drehachse. Wenn aus irgend einem Grunde die Zapfen des Käfigmechanismus die Oberfläche des Rotors 4 beschädigen sollten, dann wird durch die eben erwähnte Anordnung gewährleistet, dass die Lagerzapfen nicht im Bereich der beschädigten Rotoroberfläche zur Wirkung kommen, so dass keine Fehler entstehen können. Die festen Zapfen 23 können aus Quarz, d. h. dem gleichen Material wie der Rotor, bestehen, und wie aus der Fig. 2 hervorgeht, bestehen beim vorliegenden Ausführungsbeispiel diese Zapfen aus einer zylindrischen Erhebung, welche von der Innenwand des Rahmens 1 nach innen ragt. Vorzugsweise sind die feststehenden Zapfen 23 und der Zwischenraum 1 aus einem Stück gefertigt, obwohl dies lediglich eine Angelegenheit der Zweckmässigkeit der Konstruktion und Herstellung ist.
Auf jeden Fall müssen die festen Zapfen bezüglich des Zwischenrahmens äusserst starr sein und eine genaue Lage einnehmen. Die Zapfen des Käfigmechanismus sind um weniges länger als die Lagerzapfen 8, so dass bei der Berührung der Zapfen des Käfigmechanismus durch den Rotor keine Berührung zwischen dem Rotor und den Lagerzapfen eintritt.
Diese grössere Höhe der Zapfen des Käfigmechanis- mus wird erhalten ohne Störung des optischen Schleifverfahrens, welches zur genauen Formgebung der konkaven Enden der Lagerzapfen verwendet wird, indem man diese Höhe anfänglich gleich oder kleiner als diejenige der Lagerzapfen wählt und hierauf die Höhe der Zapfen des Käfigmechanismus durch Aufbringen von Metall, vorzugsweise durch Galvanisierung vergrössert. Vorzugsweise werden die Käfigzapfen anfänglich weniger hoch als die nahezu in ihrer Bearbeitung beendigten Lagerzapfen gemacht und hierauf durch Aufspritzen oder Aufdampfen metallisiert, aber nur in einem solchen Ausmass, dass sie nach wie vor eine geringere Höhe aufweisen als die Lagerzapfen.
Die Lagerzapfen werden hierauf optisch erneut bearbeitet, um Verzerrungen zu korrigieren, welche möglicherweise durch die Wärme beim Metallisierungsvorgang verursacht worden sind. Schliesslich werden die Käfigzapfen durch Aufgalvanisierung mit einem harten Metall um einen Betrag erhöht, der in der Grössenordnung von l/zooo mm liegt. Der bewegliche Käfigzapfen 24 ist in der Fig. 6 deutlicher gezeigt. Er besteht aus einem verhältnismässig langen zylindrischen Teil 25 mit abgerundetem Ende 26 und einem am anderen Ende gelegenen Teil 27 von verhältnismässig grossem Durchmesser. Der Zapfen 24 wird in den Hohlraum 28 derart eingeführt, dass der Teil 25 in den Innenraum des Zwischenrahmens 1 hineinragt. Auf dem Teil 27 liegt eine Spreizfeder 29, und durch die Kappe 30 werden der Zapfen 24 und die Feder 29 in ihrer richtigen Lage gehalten.
Wenn das Kreiselgerät nicht in Betrieb steht, wird wie ersichtlich durch die Feder 29 der Zapfen 24 nach innen gegen den Rotor 4 gedrückt, so dass dieser seinerseits gegen die feststehenden Käfigzapfen gedrückt wird. Die feststehenden Käfigzapfen können an ihrem äusseren Ende 23a einen Metallüberzug aufweisen, um ein Haften am Rotor und eine Beschädigung desselben zu verhindern. Ausserdem ergibt sich dadurch eine Vereinfachung der vorerwähnten Herstellungsart.
Die beweglichen Käfigzapfen können an ihrem Vorderende Spitzen aus Kunststoff tragen, welche ebenfalls eine Beschädigung der Rotoroberfläche verhindern. Ueber den Kanal 31 wird Gas gegen die untere Seite des Teils 27 geführt, und das Gas dringt durch den Hohlraum 28 in den Kanal 11, durch welchen es an die Lagerzapfen 8 in der anderen Hälfte des Rahmens 1 verteilt wird. Beim Betrieb des Kreiselgerätes ist der Rotor zunächst mit dem Käfigzapfen verbunden. Wenn nun Gas unter hohem Druck in das Kreiselgerät eingeführt und dieses in Drehung versetzt wird, wirkt bei einer gewissen Geschwindigkeit der Gasdruck gegen die Oberfläche des Zapfens 24 in Verbindung mit der durch das rotierende Kreiselgerät ausgeübten Zentrifugalkraft nach aussen auf die Federn ein, so dass die Käfigzapfen vom Rotor abgehoben werden.
Der Rotor hängt dann frei im Zwischenrahmen 1, und zwar lediglich durch die Wirkung des aus den Lagerzapfen 8 austretenden Gases. In der Kappe 30 ist eine Auslassöffnung 32 vorgesehen, so dass Gas, welches gegebenenfalls um den Teil 27 herum durchtritt, austreten kann, so dass ein unter schiedlicher Druck zwischen der Unterseite des Kä figzapfens und dem Aussendruck aufrecht erhalten wird. Dieser unterschiedliche Druck genügt, um den Käfigzapfen wenn nötig zurückzuführen.
Die Fig. 7 zeigt ein System, welches ein Kreisel gerät mit Gaslagerung verwendet. Das Kreiselgerät selbst ist durch die Lagerteile 2 und 3 in den Lagern
33 und 34 gelagert. Ein Entnahmesystem 35 liegt in unmittelbarer Nähe des zylindrischen Lagerzapfens 3 zur Feststellung von winkelmässigen Abweichungen des rotierenden Kreiselgerätes. Um das Kreiselgerät in
Umdrehung zu versetzen, ist mit diesem ein Motor 36 gekuppelt. Anstelle des Motors 36 können andere
Mittel für den Antrieb des Rahmens 1 treten, wie z. B. eine Gasturbine. Das Zapfenlager 33 ist so aus gebildet, dass es die Zufuhr von Hochdruckgas von einer (nicht gezeigten) Pumpe über das Rohr 37 zum
Kreiselgerät gestattet. Das austretende Gas gelangt aus dem Rahmen über das Zapfenlager 34 zum Rohr 38 und zurück zur Pumpe.
Die der Navigation dienenden
Einrichtungsteile, wie beispielsweise Beschleunigungs messer und andere bei der Inertialsteuerung verwen deten Vorrichtungen können im Gehäuse 39 unterge bracht sein. Die ganze Anordnung kann auf einer
Inertialplattform 40 montiert sein, die kardanisch auf gehängt ist (nicht gezeigt).
Gyroscope
The present invention relates to a high accuracy and low drift gyroscope, and more particularly to a gyroscope in which the drift decreases to almost zero when the main frame thereof is held in near exact alignment with the engine axis.
In Swiss Patent No. 374210 a new type of gyro device is described which has a rotatable rotor suspension which uses gas bearings to take advantage of the very low static friction of such bearings and which at the same time avoids the errors which normally result from the preamble -Torque or the unbalanced torque in the steady state and are common to such bearings. A rotatable rotor suspension is to be understood as any type of mounting device - whether in the form of conventional cardan rings or an inner universal joint, or any other form that supports 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 .
Those parts which execute a relative movement as a result of the rotatable suspension are in a moderate vacuum, whereby the gas damping of the movements due to the rotatable suspension is largely reduced. The drift speed of this gyro device decreases almost without limit when the angle between the rotor axis and the corresponding axis of the main frame of the gyro device decreases to zero, so that it is possible to obtain an almost unlimited system accuracy, simply by having a sufficient provides an accurate system for aligning the platform to keep the platform aligned with the gyro rotor with very high accuracy. In addition, this gyroscope itself is suitable for completely or almost completely isoelastic constructions.
The gyro device provided with a gas bearing has a spherical member which is mounted with the aid of four or more separate bearing journals so that three degrees of freedom of rotation are guaranteed. The gas bearing used is characterized by self-adjustment in all bearing journals and by complete isolation of each journal from the pressure changes in adjacent bearing journals.
One purpose of the present invention is to improve the mounting of the spherical rotor in a gyro with a gas bearing in such a way that the rotor does not touch the hollow sphere in which it is located when the gyro is at a standstill.
Another purpose of the invention is to provide improved means for the inlet and outlet of the gas within the journal bearings and particularly the frame of the gyroscope.
The gyroscopic device according to the invention has a hollow ball, a number of journal bearings for the rotatable mounting of the hollow ball, a spherical rotor and means for holding the rotor within the hollow ball, these means having a number of gas bearings in order to hold the rotor in such a way that it can with respect to the hollow ball can rotate, wherein the rotor further has bearing surfaces which cooperate with the gas bearings. The gyroscopic device is characterized according to the invention by a number of organs to hold the rotor statically in such a way that it does not come into contact with the hollow sphere, said number of organs being a number of fixed organs on one side of an equatorial plane, which the hollow sphere and the The rotor ball divides each into two equal parts, and the movable organs are on the other side of the equatorial plane.
In a preferred embodiment, the hollow ball serving as a frame has a number of openings, each movable member being accommodated in one opening, part of the movable member protruding into the interior of the hollow ball and being in contact with the rotor. The movable organ is held within the opening by a cap, and elastic means are also provided in the opening between the cap and the movable organ in order to press this organ inwardly in the direction of the rotor.
Furthermore, means are also provided in the frame to supply gas to the movable member, so that the gas pressure in connection with the centrifugal force acting on the frame during operation of the gyro device compensates for part of the force exerted by the elastic means, thereby causing the movable member is moved away from the rotor, so that it is held freely by the gas bearings when the device is in operation.
The invention is explained in more detail below with reference to the drawing, for example.
Show it:
FIG. 1 shows a view of a gyroscope in the direction of the axis of rotation from the motor side of the gyro of FIG. 7; Fig. 2 is a section along line 2-2 of Fig. 1; FIG. 3 shows a section along the line 3-3 of FIG. 2; FIG. 4 shows an enlarged view of one of the gas bearing journals shown in cross section in FIG. 2; FIG. 5 is a top view of the gas journal of FIG. 4; FIG. 6 shows an enlarged view of a movable locking pin, which is shown in section in FIG. 2, and FIG. 7 shows a diagram of a gyro-stabilized system which uses the gyro according to the invention.
In Figs. 1, 2 and 3, an outer spherical intermediate frame 1 is shown, which has cylindrical end parts 2 and 3 for storage. Inside the intermediate frame 1 there is a spherical rotor 4 shown in broken lines, which is preferably made of a material of high stability, such as quartz or another very high density material and is preferably hollow in order to obtain the greatest possible twist for the mass used. In the illustrated embodiment, a cylindrical cavity 5 is present, which passes through the rotor 4 and connects the cylindrical end cavities 6 and 7 with each other, which have a larger diameter than the cavity 5, so that the rotor has a predetermined axis of rotation with respect to which the moment of inertia has a maximum value.
The cavity 5 is preferably designed such that its diameter is approximately one third of the diameter of the rotor 4. The rotor 4 has a very precise external spherical shape and a high-quality external finish, so that it can act as a bearing surface which interacts with the precisely spherical end surfaces 7 a of the gas bearing journals 8. In the example shown in the figures, there are six bearing journals 8, which are cylindrical and extend inward from the inside of the intermediate frame 1, so that their concave end surfaces are adapted to the spherical surface of the rotor 4 and almost touch them when the device is in operation .
The bearing pins 8 are arranged in pairs on three mutually perpendicular axes. Three of these pins are made in one piece with one half of the intermediate frame 1, while the other three pins are made in one piece with the other half of this frame. Gas is admitted under high pressure through the openings 9 in the cylindrical end part 2 and is supplied to the inner chamber 12 within the gas journal bearings 8 via the distribution system 10 and 11. As already mentioned, the intermediate frame 1 is made up of two halves 13 and 14 which touch along an equator, which is denoted by the line 3-3. For extraction purposes (e.g.
For monitoring or control purposes, a flat optical mirror 15 is provided, which is accommodated in the cavity 6, and further a cylindrical cavity 16 in the cylindrical end part 3, which is hermetically sealed by a transparent pane 1 6a, to prevent gas from escaping from the intermediate frame to prevent and to allow the passage of a light beam from a light source lying outside the frame 1 and the light beam reflected by the mirror 15 in the cavity 6. In the cavity 7 there is a transparent compensating disk 17 which, in terms of both weight and mass distribution, has the same properties as the mirror 15 in the cavity 6 in order to compensate for the weight of the mirror in the cavity 6.
The gas which reaches the interior of the intermediate frame from the gas bearings 8 is then discharged at low pressure through the outlet 18 in the end part 3.
4 and 5 show the construction of a journal 8 in detail. The chamber 12 is supplied with gas under high pressure via the channels 10 or 11. A feed opening 19a of significantly smaller diameter than the chamber 12 connects the radial grooves 20 in the surface 7a with the chamber 12. In the present case, six radial grooves are provided, although this number can be selected larger or smaller. The tapered surface 21 provides a gradual transition from the chamber 12 to the opening 19a, in order to avoid sudden changes in the dimensions of the channel, which would provide resistance to the gas flow. The chamber 12 and the opening 19a are arranged on the longitudinal axis of the bearing pin 8.
An annular groove 22 running concentrically to the opening 19a connects the outer ends of the radial grooves 20. This feed arrangement causes the gas to be distributed over a large area, so that the gas velocity can be significantly less than 1 / o Mach 1, while at the same time the volume of the Distribution cavity is kept as small as possible in order to reduce instabilities. This arrangement prevents the gas from flowing into the storage space at a speed which can reach Mach 1 or more and thereby cause serious flow imbalance, which would result in torques which cannot be balanced or canceled. For best results, the radial grooves 20 which open into the annular groove 22 should be approximately 1.4 times wider than the annular groove.
The maximum effect of the gas flow is obtained when the cross-section of the radial grooves and the annular groove has a semi-elliptical shape, the depth and the maximum width being approximately the same, although a rectangular or triangular cross-section can of course also be used to advantage in order to ensure a very small pressure drop between the feed opening 19a and the groove 22.
A cage mechanism is provided in order to hold the rotor correctly when the gyroscope is not in operation. This prevents damage to the rotor surface by the bearing journals during handling, transport and installation when no high pressure gas is supplied to the bearing journals. This mechanism connects the rotor to the intermediate frame, so that it is possible to bring the rotor up to the operating speed quickly and also prevents the rotor from falling or wobbling when its rotational speed becomes too low. Said mechanism consists of three fixed pins 23 and three movable pins 24. Of course, a larger or smaller number of pins can be used to achieve the desired purpose.
The fixed pins are in one half 14 of the intermediate frame 1 and the movable pins in the other half 13 of the intermediate frame. In the ideal case, these journals would stand on three mutually perpendicular axes, as is the case for the bearing journals 8, but these axes would be shifted with respect to those of the bearing journals. However, it is not necessary to arrange the pins of the cage mechanism in this way, and preferably they are even closer to the equator of the intermediate frame or at a greater distance from this equator than the bearing pins, so that their contact points are outside the contact zone of the bearing pins on the rotor .
The pins of the cage mechanism are preferably close to the axis of rotation. If for any reason the journals of the cage mechanism should damage the surface of the rotor 4, the arrangement just mentioned ensures that the bearing journals do not come into effect in the area of the damaged rotor surface, so that no errors can occur. The fixed pegs 23 can be made of quartz, i. H. the same material as the rotor, and as can be seen from FIG. 2, in the present exemplary embodiment these pins consist of a cylindrical elevation which protrudes inward from the inner wall of the frame 1. Preferably, the fixed pegs 23 and the space 1 are made in one piece, although this is merely a matter of design and manufacture expediency.
In any case, the fixed pins must be extremely rigid with respect to the intermediate frame and assume an exact position. The journals of the cage mechanism are slightly longer than the bearing journals 8, so that when the rotor touches the journals of the cage mechanism, there is no contact between the rotor and the bearing journals.
This greater height of the pins of the cage mechanism is obtained without interfering with the optical grinding process, which is used to precisely shape the concave ends of the bearing pins, by initially choosing this height to be equal to or less than that of the bearing pins and then the height of the pins of the cage mechanism enlarged by applying metal, preferably by electroplating. Preferably, the cage pins are initially made less high than the bearing pins that are almost finished in their machining and then metallized by spraying or vapor deposition, but only to such an extent that they still have a lower height than the bearing pins.
The bearing journals are then optically reworked in order to correct distortions which may have been caused by the heat during the metallization process. Finally, the cage pins are increased by electroplating with a hard metal by an amount in the order of magnitude of 1 / zooo mm. The movable cage pin 24 is shown more clearly in FIG. It consists of a relatively long cylindrical part 25 with a rounded end 26 and a part 27 located at the other end and having a relatively large diameter. The pin 24 is inserted into the cavity 28 such that the part 25 protrudes into the interior of the intermediate frame 1. A spreading spring 29 lies on the part 27, and the pin 24 and the spring 29 are held in their correct position by the cap 30.
When the gyroscope is not in operation, as can be seen, the spring 29 presses the pin 24 inwardly against the rotor 4, so that this in turn is pressed against the stationary cage pin. The stationary cage pins can have a metal coating at their outer end 23a in order to prevent them from sticking to the rotor and from being damaged. In addition, this results in a simplification of the aforementioned manufacturing method.
The movable cage pins can have tips made of plastic at their front end, which also prevent damage to the rotor surface. Via the channel 31, gas is guided against the lower side of the part 27, and the gas penetrates through the cavity 28 into the channel 11, through which it is distributed to the bearing journals 8 in the other half of the frame 1. When operating the gyroscope, the rotor is first connected to the cage pin. If now gas is introduced under high pressure into the gyro device and this is set in rotation, the gas pressure acts against the surface of the pin 24 in connection with the centrifugal force exerted by the rotating gyro device outwards on the springs at a certain speed, so that the Cage pins are lifted off the rotor.
The rotor then hangs freely in the intermediate frame 1, specifically only through the action of the gas emerging from the bearing journal 8. An outlet opening 32 is provided in the cap 30 so that gas, which may possibly pass around the part 27, can escape so that a different pressure between the underside of the cage pin and the external pressure is maintained. This different pressure is sufficient to return the cage pin if necessary.
Fig. 7 shows a system which uses a gyro device with gas storage. The gyro itself is in the bearings through bearing parts 2 and 3
33 and 34 stored. A removal system 35 is located in the immediate vicinity of the cylindrical bearing journal 3 for determining angular deviations of the rotating gyro device. To turn the gyro into
To move rotation, a motor 36 is coupled to this. Instead of the motor 36, others
Means for driving the frame 1 occur, such. B. a gas turbine. The journal bearing 33 is formed from such a way that it allows the supply of high pressure gas from a pump (not shown) via the pipe 37 to the
Gyro device permitted. The escaping gas passes from the frame via the journal bearing 34 to the pipe 38 and back to the pump.
Those used for navigation
Equipment such as accelerometers and other devices used in inertial control can be accommodated in housing 39. The whole arrangement can be on one
Be mounted inertial platform 40, which is gimbaled on (not shown).