DE1253943B - Winkelgeschwindigkeitsmessgeraet - Google Patents

Description

DEUTSCHES WflY^ PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 42 ο -13/03

Nummer: 1 253 943

Aktenzeichen: C 32680IX b/42 ο

1 233 943 Anmeldetag: 18.April 1964

Auslegetag: 9. November 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Winkelgeschwin- Winkelgeschwindigkeitsmeßgerät
digkeitsmeßgerät, bei welchem an dem Körper, dessen

Winkelgeschwindigkeit um eine vorgegebene Dreh-

achse gemessen werden soll, ein Träger befestigt ist, dessen Achse mit der Drehachse zusammenfällt, und an dem eine Stange so angebracht ist, daß ihre Achse senkrecht zu der Drehachse liegt, wobei an der Stange symmetrisch zu ihrem Mittelpunkt Massen angebracht sind, die jeweils aus zwei entgegengesetzt gerichteten Halbstäben bestehen, welche in Biegeschwingungen versetzt werden, deren Amplituden parallel zu der Achse der Stange gerichtet sind, mit einer Torsionsmeßvorrichtung.

Bei bekannten Geräten dieser Art werden die Massen derart in Biegeschwingungen versetzt, daß sich alle Punkte der Massen entweder gleichzeitig nach innen oder gleichzeitig nach außen bewegen. Diese Art der Schwingbewegung der Massen hat zur Folge, daß die alternierenden Torsionsdrehmomente, welche ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit des Körpers sind, um eine Achse auftreten, die mit der Drehachse

des Körpers zusammenfällt. In beiden Fällen sind 2
daher die Meßeinrichtungen so ausgeführt, daß sie

Torsionsdrehmomente messen, welche um diese Achse Drehung des Körpers um die Drehachse auftretenden auftreten. 25 alternierenden Torsionsdrehmomente um die Achse

In beiden Fällen besteht daher der wesentliche der Stange an einem von der Drehachse entfernten Nachteil, daß die empfindliche Drehachse des Winkel- Punkt der Stange mißt, und daß die Knotenlinie der geschwindigkeitsmeßgeräts mit der Achse zusammen- Biegeschwingungen mit der Knotenlinie der in der fä It.umv e'chediezumejsendenTorsionsschwingungen Stange bei einer Drehung des Körpers erscheinenden auftreten. Wenn die zu messende Winkeigeschwindig- 30 Torsionsschwingungen zusammenfällt,
keit selbst um einen mittleren Wert mit einer Frequenz Bei dem Winkelgeschwindigkeitsmeßgerät nach der schwankt, die in der Größenordnung der Frequenz der Erfindung führen die Massen Bewegungen aus, die Torsionsschwingungen liegt, kann dadurch das Meß- einer Schwenkbewegung um eine Achse äquivalent ergebnis völlig verfälscht werden, denn die Abtastvor- sind, die parallel zu einer senkrecht zur Drehachse richtung mißt in diesem Fall sowohl die durch die 35 stehenden Achse liegt. Wenn sich also in einem gemittlere Winkelgeschwindigkeit erzeugten Torsions- gebenen Zeitpunkt die oberen Halbstäbe der beiden

Massen der Drehachse des Körpers nähern, entfernen sich im gleichen Zeitpunkt die unteren Halbstäbe von dieser Drehachse. Diese Schwingbewegung der Massen 40 hat zur Folge, daß bei einer Drehung des Körpers um seine Drehachse alternierende Torsionsdrehmomente um die Achse der Stange auftreten, die senkrecht zur Drehachse steht. Diese alternierenden Torsionsdrehmomente werden von der zu diesem Zweck besonders Entkopplung zwischen den die Winkelgeschwindigkeit 45 ausgebildeten Torsionsmeßvorrichtung gemessen,
anzeigenden Torsionsschwingungen und der zu messen- Bei diesem Winkelgeschwindigkeitsmeßgerät liegt den Winkelgeschwindigkeit bzw. deren Schwankungen demzufolge die Achse, um welche die die Winkelerreicht, geschwindigkeit anzeigenden Torsionsschwingungen Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß auftreten, senkrecht zu der Drehachse des Körpers, die Halbstäbe jeder Masse in gegenphasige Biege- 50 Irgendwelche Schwankungen der Winkelgeschwindigschwingungen versetzt werden, daß die Torsionsmeß- keit um einen mittleren Wert haben daher keinen vorrichtung so ausgebildet ist, daß sie die bei einer Einfluß auf die die Winkelgeschwindigkeit anzeigen-

Anmelder:

CSF Compagnie Generale de Telegraphic sans Fil, Paris

Vertreter:

Dipl.-ing. E. Prinz, Dr. G. Häuser und Dipl.-Ing. G. Leiser, Patentanwälte, München 60, Ernsbergerstr. 19

Als Erfinder benannt:
Raymond Mathey, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreichvom 19. April 1963 (932 050)

schwingungen als auch die Schwankungen der zu messenden Winkelgeschwindigkeit um ihren mittleren Wert.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Winkelgeschwindigkeitsmeßgeräts der eingangs angegebenen Art, bei welchem die empfindliche Drehachse nicht mit der Achse der Torsionsschwingungen zusammenfällt, so daß eine vollständige gegenseitige

den Torisionsschwingungen. Damit ist eine vollständige gegenseitige Entkopplung zwischen den die Winkelgeschwindigkeit anzeigenden Torsionsschwingungen und der zu messenden Winkelgeschwindigkeit bzw. deren Schwankungen erreicht.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Darin zeigt

F i g. 1 schematisch einen Stimmgabel-Winkelgeschwindigkeitsmesser bekannter Art,

F i g. 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Winkelgeschwindigkeitsmessers nach der Erfindung,

F i g. 3 die Gesamtheit der Kräfte, weiche auf die Anordnung von F i g. 1 einwirken und

F i g. 4 einen Teil der Anordnung von F i g. 2.

F i g. 1 zeigt perspektivisch einen bekannten Winkelgeschwindigkeitsmesser mit Stimmgabel.

Dieser enthält eine Stange 1, die eine Stimmgabel mit zwei schwingenden Zinken 2 und 3 trägt. Die beiden Zinken schwingen gegenphasig, und die Schwingungsrichtung jedes Zinkens ist für einen gegebenen Augenblick durch die beiden Vektoren J\ und V₃ dargestellt. Die ganze Anordnung wird von einer Plattform 4 getragen, die auf dem Fahrzeug befestigt ist.

Wenn sich die Plattform mit einer gleichförmigen Winkelgeschwindigkeit ω um die Achse der Stange dreht, wird bekanntlich auf diese ein alternierendes Drehmoment ausgeübt. Die Amplitude dieses Drehmoments ist proportional der Winkelgeschwindigkeit der Plattform, und die Frequenz dieses Drehmoments ist gleich der Schwingungsfrequenz der Zinken. Mit bekannten Mitteln ist es möglich, die Amplitude des Drehmoments oder der Geschwindigkeit der Biegeschwingung zu messen, woraus die Winkelgeschwindigkeit der Plattform abgeleitet werden kann.

Derartige Geräte sind bekannt und für die Trägheitsnavigation in verschiedener Hinsicht interessant. Sie weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie keinen Symmetriemittelpunkt haben. Dies führt zu störenden Kipperscheinungen. Daher sind die beiden erwünschten Schwingungsformen (Biegeschwingung der Zinken, Torsionsschwingung der Stange) nicht allein vorhanden. Dadurch wird eine Entkopplung der Schwingungsarten schwierig. Dies führt zum Auftreten von falschen Nullpunkten, welche die Einstellungen des wahren Nullpunkts unsicher und schwankend machen.

Die in F i g. 2 gezeigte erfindungsgemäße Anordnung weist diesen Nachteil nicht auf.

Diese Anordnung enthält eine Plattform 4, deren empfindliche Achse in der Richtung Ox liegt. Eine Stange 10 ist in Richtung der Achse Oz senkrecht zur Achse Ox gerichtet. Diese Stange trägt symmetrisch zu ihrer Quersymmetrieebene zwei Anordnungen von je zwei gleichen Halbstäben von gleichem Gewicht, die symmetrisch zueinander in bezug auf den Mittelpunkt O der Stange liegen. Diese beiden Anordnungen 20 und 30 werden mit Hilfe von Spulen 21 und 31, deren Achsen parallel zu Oz liegen, in Biegeschwingungen versetzt. Die Schwingungen der beiden Gruppen sind wie bei der Stimmgabel von gleicher Amplitude und gleicher Periode, aber gegenphasig. Die Richtung der Schwingungen, die für einen gegebenen Zeitpunkt durch die Vektoren

Ki, K- Ki, K

dargestellt sind, entspricht der Richtung der Achse Oz der Stange.

Bei ihrer Biegeschwingung verändern die Stäbe in pulsierender Weise die Trägheitsmomente in bezug auf die empfindliche Achse, und die Änderungen erzeugen mit der Steuerfrequenz pulsierende Trägheitskräfte

^ai' ^22" ^Sl' ^32·

Die Stange wird von einem Bund 11 getragen, der den Knotenkreis mit dem Mittelpunkt O umgibt, und von einem Gestell 12, das mit dem Bund 11 und mit der Plattform 4 fest verbunden ist. Dieses Gestell trägt beispielsweise auch die Spulen 21 und 31.

Am einen Ende trägt die Stange eine Metallzunge 14, die sich zwischen zwei Spulen 15 und 16 bewegt, welche durch ein Gestell 17 fest mit der Plattform 4 verbunden sind.

DieseAnordnung ermöglicht die elektrische Messung der Amplitude des Drehmoments, das auf die Stange ausgeübt wird.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist unter Bezugnahme auf F i g. 3 verständlich, welche die Stäbe 20 und 30, die Stange 10 und die Gesamtheit der ausgeübten Kräfte zeigt.

Wie im vorhergehenden Fall wird zur Vereinfachung angenommen, daß sich die Plattform 4 mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit ω um die Achse Ox dreht. Die Achse Oy vervollständigt das rechtwinklige Koordinatensystem Oxyz.

In dieser Darstellung sind die auf die Massen 20 und 30 ausgeübten Augenblickskräfte gezeigt.

Dies sind zunächst die Drehmomente T^-l\_t und V^_i -v~, deren Achse parallel zu Oz liegt und weiche die auf die Massen 20 und 30 ausgeübten Drehmomente zur Aufrechterhaltung der Biegeschwingungen sind.

Wenn die Plattform 4 mit einer gleichförmigen Winkelgeschwindigkeit ω um die Achse Oz bewegt wird, erscheinen Trägheitsdrehmomente, die auf die Massen 20 und 30 ausgeübt werden. Diese Drehmomente sind durch die Vektoren Τζ',,-ΤζΙ für die Masse 20 und durch die Vektoren κ~-v~ für die Masse 30 dargestellt.

Diese Drehmomente schwingen gegenphasig; sie haben die Frequenz der auf die Massen 20 und 30 ausgeübten Erregungsschwingung, und ihre Amplitude ist co proportional.

Die Richtung der Vektoren Τζ~₃, J^₁, und
entspricht der Richtung der Achse Oy.

Sie haben die Wirkung, daß die Stange 10 in eine Torsionsschwingung von gleicher Frequenz wie die Biegeschwingung versetzt wird, deren von den Spulen 15 und 16 gemessene Amplitude der Winkelgeschwindigkeit ω proportional ist. so daß diese dadurch gemessen werden kann.

Es ist zu bemerken, daß der Mittelpunkt O der Stange nicht nur ein geometrischer, sondern auch ein dynamischer Symmetriemittelpunkt ist, da die Gesamtheit der ausgeübten Kräfte symmetrisch zu diesem Mittelpunkt liegt, und daß die Ebene xOy eine Knotenebene der beiden Schwingungsformen ist.

Dadurch löst sich das Problem der Befestigung der schwingenden Anordnung an der Plattform von selbst

Zum Unterschied gegen das bekannte Gerät liegt die Achse Oz der senkrecht zur empfindlichen Achse Ox erfolgenden Torsionsbewegung parallel zu der Bewegungsebene der Biegeschwingung.

In F i g. 4 erkennt man die Stange 10, die von ihrem Bund 11 in dem fest mit der Plattform 4 ver-

Claims (3)

bundenen Gestell 12 gehalten wird. Aus der Richtung der die Torsionsschwingung angebenden Pfeile erkennt man, daß das Gestell 12 im wesentlichen in der Ebene yOx liegt, welche die Knotenebene der Torsionsschwingung ist. Daraus ergibt sich ein beträchtlicher Vorteil: Die Knotenlinie der Torsionsbewegung fällt mit der Knotenlinie der Biegebewegung zusammen. Bei der bekannten Stimmgabel von F i g. 1 liegt die Knotenlinie F der Biegebewegung am Fuß der beiden Zinken 2 und 3, und die Knotenlinie der Torsionsbewegung liegt bei der Befestigungslinie T der Stange an der Plattform 4. Diese beiden Linien fallen daher nicht zusammen. Dies ist eine der Ursachen für die Kipperscheinungen und für die mangelnde Entkopplung zwischen den beiden Bewegungen. Ferner erfolgt bei der bekannten Stimmgabel die Befestigung der Vorrichtung an der Plattform an einer exzentrischen Stelle (Linie T), was bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht der Fall ist. Schließlich ist bei der bekannten Stimmgabel die ao empfindliche Achse, um welche die zu messenden Drehbewegungen erfolgen (Achse Ox in F i g. 1) der Ausgangsachse (Biegeachse) gleich. Dies hat zur Folge, daß die die Biegeschwingungen aufrechterhaltenden Spulen und die die Torsionsschwingungen messenden Spulen parallele Achsen haben. Demgegenüber liegt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die empfindliche Achse Ox senkrecht zu der Ausgangsachse Oz. Dies hat zur Folge, daß die Achsen der Erregerspulen 21 und 31 im rechten Winkel zu den Achsen der Ausgangsspulen 15 und 16 liegen. Es besteht daher keine Kopplung zwischen diesen Schaltungen. Patentansprüche:

1. Winkelgeschwindigkeitsmeßgerät, bei welchem an dem Körper, dessen Winkelgeschwindigkeit um

eine vorgegebene Drehachse gemessen werden soll' ein Träger befestigt ist, dessen Achse mit der Drehachse zusammenfällt, und an dem eine Stange so angebracht ist, daß ihre Achse senkrecht zu der Drehachse liegt, wobei an der Stange symmetrisch zu ihrem Mittelpunkt Massen angebracht sind, die jeweils aus zwei entgegengesetzt gerichteten Halbstäben bestehen, welche in Biegeschwingungen versetzt werden, deren Amplituden parallel zu der Achse der Stange gerichtet sind, mit einer Torsionsmeßvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbstäbe jeder Masse (20, 30) in gegenphasige Biegeschwingungen versetzt werden, daß die Torsionsmeßvorrichtung (14, 15, 16) so ausgebildet ist, daß sie die bei einer Drehung des Körpers (4) um die Drehachse (Ox) auftretenden alternierenden Torsionsdrehmomente um die Achse (Oz) der Stange (10) an einem von der Drehachse entfernten Punkt der Stange mißt, und daß die Knotenlinie der Biegeschwingungen mit der Knotenlinie der in der Stange bei einer Drehung des Körpers (4) erscheinenden Torsionsschwingungen zusammenfällt.

2. Winkelgeschwindigkeitsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erregung der Biegeschwingungen in den Halbstäben Spulen (21, 31) vorgesehen sind, die von dem Träger (12) getragen werden.

3. Winkelgeschwindigkeitsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung Spulen (15, 16) enthält, die von dem Träger (12) getragen werden und mit einem an der Stange (10) befestigten Anker (14) zusammenwirken.

In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 611011;
USA.-Patentschrift Nr. 2 627 400.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 687/75 10.67 Q Bundesdruckerei Berlin