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Störkraftkompensierte Lagerung Die Erfindung bezieht sich auf eine
aus federnden Elementen bestehende störkraftkompensierte Lagerung eines beweglichen
Systems, insbesondere Meßsystems, wobei die in einem Winkel zueinander stehenden
Federelemente die Richtkraft des beweglichen Systems bestimmen und die Lageänderung
des beweglichen Systems nur von einer hinsichtlich ihrer Richtung vorbestimmten
Kraft abhängig ist, während senkrecht dazu einwirkende Störkräfte unwirksam bleiben.
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Störkraftkompensierte Lagerungen der genannten Art sind an sich bekannt,
und zwar werden sie vorzugsweise bei Motoraufhängungen und Dynamometersystemen verwendet
und sollen bei einer begrenzten relativen Bewegung zwischen dem beweglichen System
und dem feststehenden Gehäuse Belastungsstöße aufnehmen und etwaige Richtungsänderungen
gestatten bzw. zu Messungszwecken Ausschläge liefern, deren Abhängigkeit von den
auf das Meßsystem einwirkenden Kräften bekannt ist, wobei auftretende Störkräfte
durch besondere Anordnungen von Kreuzfedergelenken kompensiert werden.
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Die Erfindung bezweckt, eine störkraftkompensierte Lagerung von beweglichen
Systemen zu schaffen, bei der die bekannten Nachteile der Kreuzfedergelenke vermieden
werden und auftretende Störkräfte keinen Einfluß auf die von den Federelementen
gelieferte Richtkraft ausüben.
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Die Lagerung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
der am einen Ende des beweglichen Systems angreifende Teil der Federn durch auftretende
Störkräfte auf Zug und der am anderen Ende des beweglichen Systems in entgegengesetzter
Richtung angreifende Teil der Federn auf Druck so beansprucht wird, daß die Richtkraft
der auf Zug beanspruchten Federn um den gleichen Betrag steigt, wie sich die Richtkraft
der auf Druck beanspruchten Federn verringert.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist in bezug auf das bewegliche
System die eine Feder senkrecht nach oben und die andere Feder senkrecht nach unten
gerichtet, oder aber die Federnanordnung besteht aus zwei Federpaaren, deren Federenden
einerseits am Gestell und andererseits am beweglichen System starr befestigt sind,
und die beiden Federpaare liegen in zwei gegeneinander verdrehten Ebenen, die durch
die Drehungsachse der vorgesehenen Relativbewegung gehen.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand von Ausführungsbeispielen
beschrieben, wobei die Fig. 1 bis 3 und 5 bis 7 nur zur Erläuterung dienen und nicht
zum Gegenstand des Patentbegehrens gemacht werden. Es zeigen
Fig. 1 bis 3 die Kräftediagramme
einer nicht störkraftkompensierten Lagerung für geradlinige Relative bewegung zwischen
beweglichem System und feststehendem Gestell, Fig. 4 ein Kräftediagramm für eine
erfindungsgemäß störkraftkompensierte Lagerung für geradlinige Relativbewegung,
Fig. 5 bis 7 die Kräfte diagramme einer nicht störkraftkompensierten Lagerung für
relative Torsionsbewegung, Fig. 8 ein Kräftediagramm für eine erfindungsgemäß störkraftkompensierte
Lagerung für relative Torsionsbewegung, Fig. 9 eine schematische Darstellung einer
Lagerung gemäß der Erfindung für eine geradlinige Relativbewegung, Fig. 10 eine
schematische Darstellung einer Lagerung gemäß der Erfindung für eine relative Torsionsbewegung.
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In den in Fig. 1 bis 4 dargestellten Kräftediagrammen, die zur Erläuterung
der Anordnung nach Fig. 9 dienen, ist mit 1 ein Stab bezeichnet, dessen Enden durch
aus den gleich ausgebildeten Lagerfedern 2 und 3 bestehenden Richtkraftelementen
mit dem Gestell 0 verbunden sind. Eine in der Längsrich tung des Stabes auftretende
Kraft P verursacht eine Auslenkung der Federn 2 und 3, so daß der Stab 1 um eine
entsprechende Strecke verschoben wird, wobei Gleichgewicht zwischen der resultierenden
Richtkraft der beiden Federn und der Kraft P herrscht.
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Der Stab 1, der an den beiden gleichgerichteten
Federn
2 und 3 aufgehängt ist, erfährt durch die Kraft P eine Auslenkung fl. Wenn nun auf
den Stab 1 außerdem eine zur Kraft P senkrechte, durch den Mittelpunkt des Stabes
gehende Störkraft F einwirkt, ändert sich die Auslenkung des Stabes 1 in der in
Fig. 2 und 3 dargestellten Weise.
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Falls die Störkraft F die Federn 2 und 3 auf Zug beansprucht (Fig.
2), so wird der Stab 1 nur um die Strecke 12, die kleiner als fl ist, ausgelenkt.
Bei Beanspruchung der Federn 2 und 3 durch die Störkraft F auf Druck (Fig. 3) wird
der Stab 1 um die Strecke 3, die größer als fl ist, ausgelenkt. Ein nach den Fig.
1 bis 3 aufgebautes Richtelement 2 und 3 ist also hinsichtlich von senkrecht zur
Kraft P auftretenden Störkräften F nicht kompensiert, und zwar wird die Richtkraft
der durch die Störkraft auf Zug beanspruchten Feder größer und die Richtkraft der
durch die Störkraft auf Druck beanspruchten Feder kleiner.
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In Fig. 4 ist eine Richtkraftanordnung gemäß der Erfindung dargestellt,
wobei die Federn 2 und 3 in entgegengesetzten Richtungen am Stab 1 angreifen.
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Durch die Kraft P wird der Stab 1 um die Strecke f~ ausgelenkt. Falls
nun die Störkraft F hinzukommt, so wird eine der Federn 2 oder 3 durch die Störkraft
F auf Zug beansprucht und die andere auf Druck, so daß die Richtkraft der durch
die Störkraft auf Zug beanspruchten Feder um den gleichen Wert steigt, wie sich
die Richtkraft der auf Druck beanspruchten Feder verringert. Die unter der Wirkung
der senkrecht zur Kraft P stehenden Störkraft F auftretenden Richtkraftänderungen
der beiden Federn kompensieren sich also gegenseitig, so daß die Störkraft F keinen
Einfluß auf die von den Richtkraftelementen 2 und 3 gelieferte resultierende Richtkraft
besitzt. Die Auslenkung des Stabes 1 ist also nur durch die horizontal angreifende
Kraft P bestimmt.
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In den in Fig. 5 bis 8 dargestellten Kräftediagrammen, die zur Erläuterung
der Anordnung nach Fig. 10 dienen, ist mit 1 eine Welle bezeichnet, deren Enden
durch aus den gleich ausgebildeten Federn 2 bis 5 bestehenden Richtkraftelementen
mit dem Gestell O verbunden sind. Ein Moment M dreht die Welle 1 um ihre Längsachse
und verdreht sie z. B. um den Winkels In der Anordnung nach Fig. 5 bis 7 greifen
die Federn 2 bis 5 an der Welle 1 paarweise in der gleichen Richtung an. Dabei ist
das eine Federnpaar 2, 4 senkrecht nach oben und das andere Federnpaar 3, 5 waagerecht
nach hinten gerichtet.
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Wenn nun auf die Wellel außer dem Moment noch eine durch ihren Mittelpunkt
gehende und zu ihrer Längsachse senkrechte Störkraft F einwirkt, so ändert sich
die Torsion der Welle 1 je nach der Richtung der Störkraft F in der in Fig. 6 und
7 dargestellten Weise.
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Falls die Störkraft F die Federn 2 bis 5 auf Zug beansprucht (Fig.
6), so dreht sich die Welle 1 nur um einen Winkel t2, der kleiner als 91 ist. Falls
die Federn hingegen durch die Störkraft F auf Druck beansprucht werden, so dreht
sich die Welle 1 um einen Winkel (f3, der größer als rfl ist.
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Die gemäß den Fig. 5 bis 7 aufgebauten Richtkraftelemente 2 bis 5
sind also hinsichtlich von Störkräften senkrecht zur Welle 1 nicht kompensiert.
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In Fig. 8 ist eine Richtkraftanordnung gemäß der Erfindung dargestellt,
wobei die Federn 2 bis 5 an der Welle 1 paarweise in entgegengesetzten Richtungen
angreifen. Das eine Federnpaar2, 4 ist also senk-
recht gerichtet, und zwar ist die
Feder 2 nach oben und die Feder 4 nach unten gerichtet. Das andere Federnpaar 3,
5 ist waagerecht angeordnet, wobei die Feder 3 nach hinten und die Feder 5 nach
vorn gerichtet ist. Durch das Moment M wird die Welle 1 z.B. um einen Winkel4 verdreht.
Wenn nun die Störkraft F hinzukommt, so wird in jedem Federnpaar die eine Feder
auf Zug und die andere auf Druck beansprucht, so daß das Richtmoment der auf Zug
beanspruchten Feder um den gleichen Wert steigt, wie sich das Richtmoment der auf
Druck beanspruchten Feder verringert. Das resultierende Richtmoment der Richtkraftelemente
wird also nicht von der Störkraft F beeinflußt, und eine so aufgebaute Lagerung
der Welle ist gegenüber Störkräften kompensiert.
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In der in Fig. 9 dargestellten Lagerung ist der Anker 11 gegenüber
dem Gestell 10 verschiebbar angeordnet, wobei beide durch die erfindungsgemäß angebrachten,
als Federn ausgebildeten Richtkraftelemente 12 und 13 verbunden sind. Die Federn
12 und 13 sind an ihren Enden starr am Gestell 10 bzw. am Anker 11 befestigt und
sind erfindungsgemäß in bezug auf ihre Befestigungspunkte am Anker 11 entgegengesetzt
gerichtet, und zwar zeigt die Feder 12 senkrecht nach oben, während die Feder 13
senkrecht nach unten zeigt.
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Die Auslenkung des Ankers 11 im Verhältnis zum Gestell 10 wird dadurch
nur von der waagerechten Komponente derjenigen Kraft, die auf den Anker 11 einwirkt,
abhängig. Die senkrechte Kraftkomponente dagegen beansprucht die eine Feder auf
Zug und die andere auf Druck, so daß sich deren Richtkraftänderungen gegenseitig
kompensieren.
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Eine Vorrichtung gemäß Fig. 9 läßt sich beispielsweise auf einem
Fahrzeug verwenden, um z. B. die Beschleunigung in der Fahrtrichtung zu messen,
wobei ein solcher Beschleunigungsmesser keinem Einfluß von Störbeschleunigungen
senkrecht zur Fahrtrichtung ausgesetzt ist.
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In der in Fig. 10 dargestellten Lagerung ist der Anker 21 durch die
Richtkraftelemente 22 bis 25 drehbar mit dem Gestell 20 verbunden. Die Richtkraftelemente
bestehen aus den beiden Federnpaaren 22, 24 und 23, 25, wobei die Federn an ihren
Enden starr am Gestell 20 bzw. am Anker 21 befestigt sind, so daß jedes Federnpaar
in einer eigenen Ebene durch die Torsionsachse der vorgesehenen Relativbewegung
liegt. Nach der Erfindung sind die Federn eines Federnpaares im Verhältnis zu ihren
Befestigungspunkten am Anker 21 entgegengesetzt gerichtet, und zwar zeigt die Feder
22 des Federnpaares 22, 24 senkrecht nach oben und die Feder 24 senkrecht nach unten,
während die Federn des anderen Federnpaares 23, 25 dementsprechend waagrecht angeordnet
sind.
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Der Torsionswinkel zwischen dem Gestell 20 und dem Anker 21 wird
dadurch nur von dem Moment, das um die Drehungsachse des Ankers wirkt, abhängig.
Eine auf den Anker 21 einwirkende, durch seine Drehungsachse gehende Störkraft beansprucht
dagegen in den beiden Federpaaren gleichermaßen die eine Feder auf Zug und die andere
auf Druck, so daß das resultierende Richtelement unbeeinflußt von der Störkraft
bleibt.
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Eine Vorrichtung gemäß Fig. 10 läßt sich z. B. bei der Messung einer
Drehbeschleunigung verwenden, unter der Voraussetzung, daß die Masse des Ankers
21 symmetrisch um die Drehungsachse verteilt ist.
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Wenn der Anker 21 einer Vorrichtung nach Fig. 10 aus einem Kreisel
besteht, dessen Rotorachse zweckmäßig orientiert ist, so kann die Vorrichtung zur
Messung der Winkelgeschwindigkeit benutzt werden.
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Auf einen solchen Winkelgeschwindigkeitsmesser sind geradlinige Störbeschleunigungen
ohne Einfluß.
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Die für die beschriebenen Vorrichtungen nach Fig. 9 und 10 vorgesehenen
Richtkraftelemente können entweder aus einfachen geraden Blattfedern bestehen oder
aber jede beliebig andere Ausführung, die den für die Erfindung geltenden Bedingungen
entspricht, aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Lagerung ist nicht auf eine spezielle Anwendung
oder Ausführung beschränkt, sondern kann z. B. auch bei Vorrichtungen mit Ankern
oder Schwungmassen, die unsymmetrisch im Verhältnis zu ihrem Schwerpunkt sind, benutzt
werden, wo das erfindungsgemäße Verfahren zur Kompensation des Einflusses bestimmter
Kräfte eine Verbesserung oder Vereinfachung mit sich bringen kann.