Biegungsschwinger für Normalfrequenz-Oszillatoren Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Biegungsschwinger für Normalfrequenz-Oszillatoren. Er ist am ehesten zu vergleichen mit den bisher für den gleichen Zweck verwendeten Stimmgabeln, doch unterscheidet er sich von allen bekannten Arten von Stimmgabeln grundsätzlich, und zwar in .der Formgebung, in der Art der Bahnkurve, auf der sich die schwingenden Massen im Raum bewegen, und in der Art der Befestigung.
Stimmgabel-Oszillatoren sind seit mehr als hun dert Jahren b--kannt und haben sich in jüngeren Zei ten insbesondere in derjenigen Form bewährt, bei der ein elektromagnetisches System die Stimmgabel antreibt und der darin wirksame Strom elektronisch gesteuert wird. Bei mobilen Normalfrequenz-Oszil- latoren dieser Art machte sich oft ein Nachteil je der Stimmgabel störend bemerkbar, der bei orts festen Stimmgabel-Osziltatoren sich nicht auswirken konnte.
Wie ein Pendel erhält auch die Stimmgabel durch die Erdanziehung eine zusätzliche Rückstell- kraft, die am grössten ist, wenn die Gabelzinken nach dem Gravitationszentrum hin gerichtet sind, wobei dann die Eigenfrequenz am höchsten ist. Ho rizontal orientierte Stimmgabeln werden durch diese Erscheinung nicht beeinflusst, während nach oben gerichtete Gabelzinken in ihrer Schwingung ver langsamt werden. Dieser Effekt kann nicht zum Verschwinden gebracht werden, solange der Schwin ger .die Form der Stimmgabel hat.
Wieviel dieser Einfluss quantitativ ausmacht, hängt ab vom Verhält nis ,der Eigenfrequenz der Stimmgabel zu der Fre quenz, mit der ein federkraftloses Pendel gleicher Abmessung schwingen würde. Bei vorgegebener Fre quenz ist folglich der Fehler @um so grösser, je kürzer man eine Stimmgabel konstruieren muss. Dieser Nachteil ist bei einem bekannten Stimm gabeloszillator nicht vorhanden, welcher zwei gegen gleich parallel zueinander angeordnete Stimmgabeln aufweist, die durch elektrische Mittel miteinander gekoppelt sind.
Der Einfluss der Gravitation lässt sich aber nur dann genügend ausschalten, wenn die elektrische Kopplung sehr eng ist, was einen gewis sen elektrotechnischen Aufwand erfordert.
Es ist ferner ein Biegungsschwinger bekannt, der im wesentlichen aus zwei zueinander parallelen Stäben besteht, die an ihren Enden durch halb kreisförmig gebogene Partien miteinander verbunden sind. Wenn die beiden Stäbe gegensinnig schwingen, bewegen sich die Schwerpunkte ihrer Massen auf einer gemeinsamen Geraden, so dass die Schwer kraft keinen Einfluss auf die Schwingungsfrequenz hat. Bei der bekannten Lösung ist aber .die Auf hängung des Biegungsschwingers nicht einwandfrei gelöst.
Es sind insgesamt vier Befestigungstellen vorgesehen, je zwei an jeder halbkreisförmig geboge nen Partie. Es lässt sich mathematisch beweisen, dass der bekannte Schwingungsbieger keine exakt stillstehenden Schwingungsknoten aufweist, .die als Befestigungsstellen herangezogen werden könnten. Aus diesem Grunde üben die Befestigungsstellen eine gewisse Rückwirkung auf die Schwingungsfre quenz der Stäbe aus, was nachteilig ist, sofern die Länge der Stäbe nicht mindestens zehnmal grösser ist als der Abstand der Stäbe voneinander.
Der bekannte Biegungsschwinger kann daher aus Dimen- sionierungsgründen nicht so klein ausgebildet wenden, wie dies für tragbare Normalfrequenz-Oszillatoren manchmal erwünscht wäre.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaf fung eines Biegungsschwingers, der die geschilderten Nachteile nicht aufweist und auch bei relativ kleinen Abmessungen eine von der Erdanziehung unabhän gige Eigenfrequenz hat.
Der Biegungsschwinger gemäss der Erfindung weist ebenfalls zwei gegeneinander schwingende, auf einer gemeinsamen Geraden geführte Massen auf und ist zudem dadurch gekennzeichnet, dass durch seine konstruktive Formgebung seine einzelnen Be festigungsstellen oder seine starr miteinander ver bundenen Befestigungsstellen im Raume mathema tisch exakt stillstehen, wenn man den Biegungs- schwinger in einer vollkommen gefederten Aufhän gung mit kleiner Amplitude schwingen lässt.
Wenn eine übliche Stimmgabel in einer voll kommenen Federanordnung aufgehängt und noch nirgends starr mit einem Träger verbunden ist, wer den sich die Schwerpunkte der beiden gegenein ander schwingenden Massen zwar ebenfalls annä hernd auf einer gemeinsamen Geraden bewegen, aber der übliche Befestigungspunkt am Stiel der Gabel bewegt sich in diesem Falle senkrecht dazu mit ,der doppelten Schwingungsfrequenz.
Im Gegensatz zur Stimmgabel hat der erfindungsgemässe Biegungs- schwinger die Eigenschaft, dass seine starr mitein ander verbundenen Befestigungsstellen auch bei dieser dynamischen Betrachtungsweise mathematisch exakt stillstehen. Die Definition muss deshalb von einer Mehrzahl von Befestigungsstellen ausgehen, weil es bei einzelnen Ausführungsformen konstruktiv vorteil haft ist, den Schwinger ian mehr als einer Stelle mit einem starren Träger zu verbinden.
Massgebend ist dann das Verhalten der Gesamtheit dieser Befesti gungsstellen, wie sie durch eine starre Verbindung derselben zustande kommt.
In der Zeichnung sind einige beispielsweise Aus führungsformen des Erfindungsgegenstandes darge stellt, und zwar zeigen: Fig. 1 und 2 zwei ähnliche Ausbildungsformen des Biegungsschwingers bei zwei verschiedenen Be festigungsarten, Fig.3 und 4 zwei andere, einander ähnliche Ausbildungsformen, ebenfalls bei zwei verschiedenen Arten der Befestigung.
Gemäss Fig. 1 sind zwei schwingfähige Massen 1 und 2 an einem die Schwingung bestimmenden Fe derkörper 3 befestigt. Dieser hat die Form zweier zueinander paralleler Biegungsstäbe, die an ihren beiden Enden starr miteinander und in ihrer Mitte je mit einer der Massen 1 und 2 verbunden sind.
Die miteinander verbundenen Enden der Biegungs- stäbe sind mittels Stegen 3a an zwei Federstücke 4 und 5 angeschlossen, die ihrerseits durch Befesti- gungsstellen 6 und 7 mit einem starren Träger 8 in Verbindung stehen.
Die Federstücke 4 und 5 haben ,die Form von flachgedrückten Ringen und sind der art ausgebildet und angeordnet, dass die Stege 3a in Richtung der Verbindungsgeraden zwischen den beiden Befestigungsstellen 6 und 7 und parallel zur Längsrichtung der Biegungsstäbe des Federkörpers 3 nachgiebig gehalten sind. Die Verbindungsgerade zwi- sehen den beiden Befestigungsstellen 6 und 7 ver läuft im rechten Winkel zur Verbindungsgeraden der Schwerpunkte der beiden Massen 1 und 2.
Jede der genannten Verbindungsgeraden ist ferner eine Symmetrieachse des Biegungsschwingers. Die Massen 1 und 2 sind die beweglichen Teile von zwei elektro- mechanischen-Wandlern, deren Spulen la und 2a schematisch angedeutet sind und einem elektrischen O.szillator angehören, mit dessen Hilfe der beschrie bene Biegungsschwinger zum Schwingen angeregt wird.
Wie bei der Stimmgabel gibt es zwei Arten von Eigenschwingungen: In der ersten Schwingungsart, die im allgemeinen die .allein erwünschte ist, schwingen die Massen 1 und 2 und die beiden Balken des Federkörpers 3 gegensinnig. Die Impulse der beiden links und rechts liegenden schwingenden Teile sind entgegengesetzt gleich, und der Schwinger -übt über die Befestigungs stellen 6 und 7 keine Wechselkräfte auf den Träger 8 aus.
Bei der zweiten Schwingungsart, .die bei einem Normalfrequenzgeber nicht benützt wird, die bei tragbaren Geräten aber wegen einer möglichen An regung durch Störungen beachtet werden muss, schwingen die beiden Massen 1 und 2 unter sich gleichsinnig, wobei über die Befestigungsstellen 6 und 7 Kräfte auf den Träger 8 übertragen werden.
Aus ,den Symmetrien des dargestellten Schwingers ist sofort ersichtlich, @dass die Schwerpunkte der bei den Teile bewegter Massen 1 und 2 auf einer ge meinsamen Geraden geführt sind, welche die Ver- bindungsgerade der Schwerpunkte ist. Damit ist die Eigenfrequenz beider Schwingungsarten unabhängig vom Betrag und der Richtung der Erdbeschleunigung, denn ,das entsprechende Pendel wäre unendlich lang und damit zu einer unendlich langsamen Schwingung entartet.
Bei einer gegensinnigen Bewegung der beiden Massen 1 und 2 ändert sich die Länge der Balken des Federkörpers 3 in erster Näherung nicht, sie tut dies nur als Funktion des Quadrates der momen tanen Auslenkung der Massen 1 und 2 ans ihren Ruhelagen.
Die Befestigung der Stege 3a kann daher in erster Näherung die Eigenfrequenz der gegen sinnigen Schwingung nicht beeinflussen. Hingegen verlangt die Bedingung der geradlinigen Führung der Schwerpunkte der schwingenden Teile, dass die beiden Stege 3a über gleich grosse mechanische Im- pedanzen mit dem Träger 8 verbunden sind, was durch die zwei in ihren Eigenschaften gleichartigen Federstücke 4 und 5 gewährleistet ist. Hängt man den Träger 8 in einer vollkommenen Federanordnung auf, so führt er keine Bewegungen aus, wenn die Massen 1 und 2 gegensinnig schwingen.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführung unterschei det sich von derjenigen nach Fig. 1 lediglich durch eine andere Art der Verbindung der beiden Stege 3a mit einem starren Träger. Anstelle der ringförmigen Federstücke 4 und 5 sind jetzt einander völlig gleiche U-förmige Federbügel 14 und 15 vorhanden, deren Enden durch Befestigungsstellen 16 bzw. 17 mit einem starren Träger 18 verbunden sind, während die Mittelpartien der beiden Federbügel 14 und 15 an die Stege 3a angeschlossen sind.
Durch diese Ausbildung wird den Stegen 3a nicht nur ermöglicht, sich in einer Richtung parallel zu den Längsachsen der Biegungsstäbe des Federkörpers 3 zu bewegen, sondern auch in Richtung parallel zur Bewegungs bahn der Schwerpunkte der Massen 1 und 2.
Dies erlaubt dem Konstrukteur eine grössere Freiheit in der Wahl der Eigenfrequenz für gleichsinnige Schwin gungen der Massen 1 und 2, so dass es möglich ist, diese Eigenfrequenz beträchtlich tiefer ;als idie Eigen- frequnz für gegensinnige Schwingungen der Massen 1 und 2 zu wählen. Im übrigen gilt bezüglich der Schwingungen der Massen 1 und 2 sowie der mit ihnen verbundenen Biegungsstäbe ;des Federkörpers 3 dasselbe wie beim ersten Ausführungsbeispiel.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Eigenschaften ,des Federkörpers 3 und die jenigen der Federstücke 4 und 5 bzw. 14 und 15 nach Fig. 1 und 2 an einem einzigen Ringfeder körper 23 vereinigt sind, der topologisch einem Torus äquivalent ist.
Die schwingfähigen Massen 1 und 2 sind an zwei einander gegenüberliegen den Stellen des Ringfederkörpers 23 befestigt, wäh rend zwei andere, einander ebenfalls gegenüberlie gende Stellen des Ringfederkörpers 23 mittels Stegen 23a mit Befestigungsstellen 26 und 27 in Verbindung stehen, welche an einem starren Träger 28 abge stützt sind. Die Verbindungsgerade zwischen den Befestigungsstellen 26 und 27 verläuft im rechten Winkel zur Verbindungsgeraden der Schwerpunkte der Massen 1 und 2.
Jede ,der genannten Verbin dungsgeraden ist eine Symmetrieachse des Biegungs- schwingers.
Wie Fig. 3 zeigt, weist der Ringfederkörper 23 an vier Stellen<I>A</I> bis<I>D</I> eine stärkere Krümmung auf. Zwischen den erwähnten Stellen<I>A</I> bis<I>D</I> weist der Federkörper 23 abwechselnd konkav und konvex gekrümmte Partien auf, wobei idie Massen 1 und 2 mit den konkav gekrümmten ,Partien und die Be festigungsstellen 26 und 27 mit den konvex ge krümmten Partien in Verbindung stehen.
Der Feder körper 23 ist überdies derart geformt und dimen sioniert, dass bei einer gegensinnigen Schwingung der Massen 1 und 2 die Befestigungsstellen 26 und 27 keinerlei Kräfte auf den Träger 28 übertragen oder, was dasselbe bedeutet, dass die einzelnen Be festigungsstellen 26 und 27 sich nicht bewegen, auch wenn nie vom Träger 28 gelöst wären. Die jenigen Stellen des Ringfederkörpers 23, die mit ,den Stegen 23a in Verbindung stehen, sind somit Schwingungsknoten.
Dass eine solche Formgebung möglich ist, sieht man wie folgt ein: Wären die Partien A-B und<B>C -D</B> weicher als die Partien B-C und D-A des Ringfederkörpers 23, so würden bei einem Zusammendrücken ,der Massen 1 und 2 die gelösten Befestigungsstellen 26 und 27 sich ein ander nähern.
Wären umgekehrt die Partien B-C und D-A besonders weich, @so bewegten sich beim Zusammendrücken ider Massen 1 und 2 die gelösten Befestigungsstellen 26 und 27 !auseinander. Zwischen diesen Extremfällen liegt der hier konstruktiv ver wirklichte Fall, dass die gelösten Befestigungsstellen 26 und 27 stillstehen.
Zum Aufnehmen der Ab weichungen höherer Ordnung braucht man bei der Ausführungsform nach Fig.3 keine weiteren Fe dern, da der Ringfederkörper 23 in der Richtung der Verbindungsgeraden der Befestigungspunkte 26 und 27 genügend weich federt, um idiese Zusatz funktion übernehmen zu können. Diese zweite Fe derdurchbiegung muss stets symmetrisch zur Verbin dungsgeraden der Schwerpunkte der beiden Massen 1 und 2 erfolgen.
Die Schwerpunkte der schwingen den Massen 1 ,und 2 sind ;dann durch Iden Ring federkörper 23 auf einer gemeinsamen Geraden ge führt, welche mit der Verbindungsgeraden der Schwerpunkte identisch ist. Hängt man den Träger 28 in einer vollkommenen Federanondnung auf, so führt der. Träger 28 beim gegensinnigen Schwingen der Massen 1 und 2 keinerlei Bewegungen aus.
Das in Fig. 4 veranschaulichte Ausführungsbei- spiel unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 3 lediglich darin, dass anstelle der Stege 23a bedeutend längere, federnd biegsame Stützarme 29 und 30 vor handen sind, die längs einer Symmetrieachse des Ringfederkörpers 23 gegeneinander verlaufen und an zwei miteinander vereinigte Befestigungsstellen 36 und 37 angeschlossen sind.
Die Stützarme 29 und 30 sowie die Befestigungsstellen 36 und 37 sind symmetrisch in bezug auf die Verbindungsgerade der Schwerpunkte der zwei Massen 1 und 2 ange ordnet. Die Wirkungsweise des Biegungsschwingers ist gleich wie beim vorherigen Beispiel. Die Stützarme 29 und 30 ermöglichen dem Konstrukteur jedoch eine grössere Freiheit in ider Wahl der Eigenfrequenz für gleichsinnige Schwingungen der Massen 1 und 2.
Allen beschriebenen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass praktisch weder die Grösse noch die Richtung des Gravitationsfeldes einen Einfluss auf die Schwingungsfrequenz bei gegensinniger Be wegung der schwingenden Massen ausüben, weil die Schwerpunkte der gegensinnig schwingenden Mas sen sich auf einer gemeinsamen Geraden bewegen. Die Schwingungsfrequenz ist somit unabhängig von ,der Orientierung des Biegungsschwingers im Raume, weshalb der Biegungsschvvinger auch für tragbare Normalfrequenzoszillatoren, z.
B. in Flugkörpern, vortrefflich geeignet ist.
Auf den Schutz der Erfindung auf dem Gebiete der Zeitmessungstechnik wird verzichtet.