DE1282982B - Kreiselvorrichtung zur Umwandlung eines Drehmoments in eine Wellenrotation - Google Patents

Kreiselvorrichtung zur Umwandlung eines Drehmoments in eine Wellenrotation

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DE1282982B
DE1282982B DEG32756A DEG0032756A DE1282982B DE 1282982 B DE1282982 B DE 1282982B DE G32756 A DEG32756 A DE G32756A DE G0032756 A DEG0032756 A DE G0032756A DE 1282982 B DE1282982 B DE 1282982B
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axis
gyro
torque
cardan
precession
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Application number
DEG32756A
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English (en)
Inventor
Harold Everett Trekell
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General Electric Co
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General Electric Co
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F15/00Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
    • G01F15/07Integration to give total flow, e.g. using mechanically-operated integrating mechanism

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Description

  • Kreiselvorrichtung zur Umwandlung eines Drehmoments in eine Wellenrotation Die Erfindung betrifft eine Kreiselvorrichtung zur Umwandlung eines von einem Meßwandler gelieferten Drehmoments in eine Wellenrotation, deren Geschwindigkeit dem Drehmoment proportional ist.
  • Eine solche Vorrichtung ist von Bedeutung, wenn das gemessene Drehmoment proportional einer Meßgröße ist, deren zeitliches Integral ermittelt werden soll.
  • Die Meßgröße sei z. B. die Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit in einer Rohrleitung, und es soll das Integral der Strömungsgeschwindigkeit, d. h. die Durchflußmenge bestimmt werden. Ein bekannter Meßwandler liefert ein der Strömungsgeschwindigkeit proportionales Drehmoment. Dieses wird einer ebenfalls bekannten Kreiselvorrichtung zugeführt, die das Drehmoment in eine Wellenrotation von proportionaler Geschwindigkeit umwandelt. Das zeitliche Integral wird durch einen Zähler gebildet, der die Wellenumdrehungen zählt.
  • Die in diesem Zusammenhang bereits bekannte Kreiselvorrichtung enthält einen kardanisch gelagerten Kreisel, dem das Drehmoment über die innere Kardanachse zugeführt wird, so daß der Kreisel um die äußere Kardanachse mit einer proportionalen Geschwindigkeit präzediert.
  • Das vom Meßwandler gelieferte Drehmoment erzeugt keine Drehung des Kreisels um die innere Kardanachse, sondern allenfalls geringfügige, mit wachsendem Drehmoment zunehmende Verdrehungen innerhalb der Übertragungsmechanik infolge von Lagerspiel. Hierbei bildet nun aber die Reibung in der Übertragungsmechanik einen schädlichen Einfluß. Die Reibung bewirkt nämlich, daß das vom Meßwandler gelieferte Drehmoment nicht in voller Höhe zur inneren Kardanachse gelangt. Insbesondere kommen kleine Schwankungen des Meßdrehmoments überhaupt nicht bis zum Kreisel durch.
  • Dies führt dazu, daß die Geschwindigkeit der Präzessionsdrehung des Kreisels kein genaues Abbild des Meßdrehmoments ist, so daß auch das vom Zähler gebildete Integral fehlerhaft ist.
  • Ziel der Erfindung ist es, diesen Mangel zu beseitigen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe bietet der Stand der Technik die Anregung, der Ubertragungsmechanik eine oszillierende Bewegung aufzuzwingen, die die reibungsbehafteten Lagerstellen ständig im Zustand der gegenüber der Ruhereibung beträchtlich geringeren Gleitreibung hält. Hierbei wird jedoch üblicherweise ein fremder Schwingungsanreger vorgesehen.
  • Durch die Erfindung wird erreicht, daß die Schwingungsanregung durch den Kreisel selbst herbeigeführt wird, und zwar nur- während der Präzessionsdrehung, d. h. nur zu der Zeit, wo die Reibung wirklich stört.
  • Die vorgenannte bekannte Kreiselvorrichtung ist zu diesem Zweck dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwindung von Reibung in der zwischen dem Meßwandler und der inneren Kardanachse angeordneten Übertragungsmechanik ein infolge der Präzessionsdrehung wirksam werdender magnetischer Hilfsdrehmomentgeber vorgesehen ist, der ein im Takt der Präzessionsdrehung alternierendes Drehmoment um die äußere Kardanachse und eine entsprechende oszillierende Präzession des Kreisels um die innere Kardanachse erzeugt.
  • Zwei Ausführungsformen der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine bekannte Kreiselvorrichtung, von der die Erfindung ausgeht, -Fig. 2 und 3 zwei Beispiele zur Erzeugung des alternierenden Drehmoments um die äußere Kardanachse.
  • Die bereits bekannte Kreiselvorrichtung enthält einen Kreiselrotor 19, der im Rotorträger 20 gelagert ist. Der Rotorträger ist drehbar im Kardanrahmen 21 gelagert, der drehbar in einem feststehenden Grundrahmen 22 gelagert ist, so daß sich eine Aufhängung des Kreisels mit drei Freiheitsgraden ergibt. Der Rotorträger 20 ist auf Drehzapfen gelagert, von denen einer sichtbar und mit 23 bezeichnet ist, die von Lagern am Kardanring 21 getragen werden, so daß die Drehachse AA des Kreiselrotors 19 rechtwinklig zu der inneren Kardanachse BB verläuft, die durch die Drehzapfen 23 hindurchgeht. Der Kardanring 21 ist mit Hilfe oberer und unterer Drehzapfen 24 drehbar gelagert, die von Lgern- un Grundrahmen 22 getragen werden, so daß der Kardanring um eine vertikale äußere Kardanachse CC rotieren kann, die durch die Drehzapfen 24 senkrecht zu der inneren Kardanachse BB verläuft. Der Kreiselrotor 19 wird von einem Elektromotor angetrieben, der vorzugsweise ein Synchronmotor ist.
  • Das als Ausgangsgröße eines Meßwandlers auftretende Drehmoment wird von der Welle 40 in einer solchen-Weise übertragen, daß das Drehmoment um die innere Kardanachse BB angreift, um eine Präzession des Kreisels um die äußere Kardanachse CC mit einer Geschwindigkeit zu verursachen, die direkt von dem zugeführten Drehmoment entsprechend bekannten Gesetzmäßigkeiten hinsichtlich der Präzessionsbewegungen eines Kreisels abhängt. Auf diese Weise besteht eine direkte Beziehung zwischen dem Drehmoment und der Präzessionsgeschwindigkeit des Kreisels, die dann ein Maß für das Drehmoment darstellt. Um eine integrierte Ausgangsgröße zu erhalten, ist der Kreisel mechanisch mit einem Zähler 26 über Zahnräder 27 verbunden, die ein Antriebsritzel 28 auf - der Eingangswelle 29 des-Zählers mit einem Antriebsritzel 30 verbinden, das mit dem - unteren Drebzapfen24 des Kreisels verbunden ist.
  • Ein rohrförmiges Halteglied41, in welchem die Welle 40 gelagert ist, verläuft durch ein rohrförmiges Stützglied42, welches dazu dient, das Gehäuse 43, welches zusammen mit einer Abdeckung 44 den Kreis ei 11 und den Umlaufzähler 26 umschließt, mit einem Meßwandler zu verbinden. Das innere Ende der Welle 40 ragt in das Gehäuse 43 hinein und trägt am inneren Ende einen Hebelarm 45, dessen Ende am unteren Ende einer Vorschubstange 46 angreift, die sich nach oben durch den hohlen unteren Drehzapfen24 des Kreisels entlang der Achse CC erstreckt. Das obere Ende der Vorschubstange 46 drückt gegen die Unterseite eines L-förmig ausgebildeten Hebels 47, von dem ein Ende auf einer Stütze 48 drehbar gelagert ist, die- -mit - dem Kardanring 21 verbunden und mit diesem drehbar ist. Das andere Ende des Hebels 47 trägt einen Bolzen 49, der gegen einen Hebel 51 drückt, der auf dem Rotorträger 20 befestigt ist. Mit dieser Anordnung wird durch eine Aufwärtsbewegung der Vorschubstange 46 ein Drehmoment auf den Kreisel um die innere Kardanachse BB übertragen, unabhängig von der Ibage des Kreisels um die äußere Kardanachse CC.
  • Um die Drehachse des Kreiselrotors 19 in einer Lage -zu halten, in der sie etwa senkrecht zu der äußeren Kardanachse CC verläuft, was für die Genauigkeit der Präzessionsdrehung erforderlich ist, ist eine Wirbelstromstützeinrichtung vorgesehen. Wie am besten aus F i g. 1 zu erkennen ist, enthält diese einrichtung eine zylindrisch ausgebildete Wand52, die den Kreisel umgibt. Die Achse dieser Wand verläuft durch das Zentrums der Aufhängung des Kreisels. Die zylindrisch ausgebildete Wand kann, wie aus der Darstellung ersichtlich ist, ein Teil des Grundrahmens 22 des Kreisels sein. Der Kreiselrotor 19 besitzt einen Wellenansatz,- - der sich durch. den Rotorträger 20 erstreckt und an seinem äußeren Ende eine Scheibe 53 trägt, die vorzugsweise aus magnetisch durchlässigem Werkstoff besteht und eine Reihe von nach außen vorspringenden zylindrischen permanenten Magneten 54 trägt, die mit dem Kreiselrotor. rotieren und ein magnetisches Drehfeld erzeugen, das symmetrisch zu der Drehachse des Kreiselrotors verläuft. Um eine maximale Feldstärke zu erreichen, sind die äußeren Enden benachbarter Magnete vorzugsweise gegensinnig gepolt, so daß sich ein starker magnetischer Fluß ergibt, der von den Magneten ausgeht und sich in axialer Richtung nach außen erstreckt. Die Wand 52 trägt nach innen -auf den Kreisel zu vorspringende,- einstückig ausgeführte Leitringe 55 und 56, die aus elektrisch leitendem Werkstoff wie z. B. Aluminium bestehen und in induktiver Wechselwirkung mit dem Drehfeld angebracht sind, das durch die Magnete 54 erzeugt wird.
  • Das rotierende Magnetfeld induziert Wirbelströme in den Ringen 55 und 56,die ihrerseits sich auf den Kreiselrotor auswirkende Drehmomente erzeugen.
  • Irgendeine Abweichung der Drehachse des Kreisels von der Senkrechtstellung zu der Achse DD (F i g. 2) des Ringes 55 und 56 bewirkt eine Veränderung des Gleichgewichts der Drehmomente auf Grund des Wirbelstroms, so daß ein restliches Drehmoment auf den Kreisel um die äußerte Kardanachse CC ausgeübt wird, wodurch eine Verdrehung des Rotorträgers 20 - um die innere Kardanachse in einer Richtung bewirkt wird, durch die der Kreisel wieder in die Bezugslage zurückgeführt wird. Um ein zusätzliches Drehmoment um - die Achse CC des Kreisels zu erzeugen, das dem Reibungsdrehmoment des Umlaufzählers 26 entgegenwirkt, wird der Ring 55 vorzugsweise etwas breiter als der Ring 56 ausgeführt.
  • Weil die zwischen der Eingangswelle 40 und dem Hebel 51 liegenden Übertragungsglieder und eventuell weitere, noeh vor der Eingangswelle liegende Gestänge eine Anzahl von Verbindungsstellen und relativ zueinander bewegliche Teile besitzen, ist eine Reibung bei einer Bewegung der - Übertragungselemente zu erwarten. Hierdurch wird ein Unterschied zwischen dem Drehmoment am Ausgang des vorgeschalteten Meßwandlers und dem Drehmoment, das dem Kreisel zugeführt wird, bewirkt, so daß die Geschwindigkeit der Präzession des Kreisels nicht exakt proportional dem Drehmoment am Ausgang des vorgeschalteten Meßwandlers ist.
  • Gemäß der Erfindung wird eine Anordnung vorgesehen, durch die periodisch umkehrende Momente um die äußere Kardanachse CC während der Präzession des Kreisels UDi diese Achse zugeführt werden.
  • Dadurch wird eine oszillierende Bewegung des Kreisels um die innere Kardanachse BB vixursacht. Diese oszillierende Bewegung wird rückwärts in die Übertragungselemente - übertragen, wodurch die Wirkung der Reibung praktisch ausgeschaltet wird.
  • In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die periodisch sich umkehrenden Momente, die dem Kreisel um die äußere Achse zugeführt werden, durch einen einfaclien und trotzdem~sehr wirkungsvollen KunstgrifF erreicht, indem die Achse DD der Einsteliringe 55 und 56~um einige Grade von: der Lage der Parallelität mit der äußeren Achse CC gekippt wird. Diese Schwenkung ist durch : den Winkel a in Fig. 2 angedeutet. Dies ist der- Winkel zwischen der äußeren Achse CC und der Achse DD der Einstellringe 55 und 56. Bei der praktischen-Erprobung hat sich eine Konstruktion als zufriedenstellend erwiesen, bei der der Winkel a etwa 30 beträgt. Da die Drehachse des Kreisels auf Grund des Angriffs von durch Wirbelströme erzeugten Momenten um die äußere Achse bestrebt ist, in einer Ebene senkrecht zu der Achse der Einstellringe zu bleiben, ist das Ergebnis dieser Anordnung, daß eine Oszillation des Rotorträgers 20 um die innere Achse BB erfolgt, wenn der Kreisel seine Präzessionsbewegung um die äußere Achse CC durchführt. Diese Oszillation des Kreisels bewirkt eine entsprechende Bewegung der das Meßdrehmoment zuführenden Übertragungsglieder, so daß in diesen die schädliche Ruhereibung ausgeschaltet wird. Wegen der sinusförmigen Peridiozität dieser Vorgänge tritt eine Verfälschung des Ergebnisses der Umdrehungszählung im Zähler 26 nicht ein.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind gemäß F i g. 3 die Einstellringe 55 und 56 so angebracht, daß ihre Achse mit der Hauptachse des Kreisels zusammenfällt und deshalb keine oszillierende Bewegung verursacht wird. Ihre einzige Wirkung besteht darin, die Drehachse des Kreisels senkrecht zur Hauptachse zu halten, d. h. den Kreiselrotor in einer Bezugslage zu halten. Die sich periodisch umkehrenden Momente werden bei diesem Ausführungsbeispiel durch die Verwendung zweier Permanentmagnete 59 und 60 erreicht, die an dem Grundrahmen 22 bzw. an der Oberseite des Kardanringes 21 angebracht sind. Diese Magnete sind so gepolt, wie aus den eingezeichneten Polen N bzw. S an benachbarten Enden der Magnete zu erkennen ist. Wenn sich der Kreisel in der in F i g. 3 dargestellten Lage befindet, bei der die Magnete 59 und 60 parallel verlaufen und bei der gleiche Pole einander gegenüberliegen, wird kein Moment um die äußere Kardanachse ausgeübt. Dieser Zustand liegt auch dann vor, wenn der Kreisel eine Präzessionsbewegung in eine Lage ausgeführt hat, die um 1800 von der gezeigten verschieden ist, bei der gegenüberliegende Magnetpole das entgegengesetzte Vorzeichen besitzen. Wenn sich jedoch der Kreisel in einer mittleren Lage befindet, wird ein Moment um die äußere Achse auf Grund der Abstoßung gleicher Pole der Magnete und der Anziehung zwischen entgegengesetzten Polen ausgeübt. Dieses Moment ändert sich sinusförmig während der Präzession des Kreisels. Die Richtung dieses Moments wird abwechselnd positiv und negativ während der Rotation des Kreisels, was eine Oszillation des Rotorträgers 20 um die innere Achse zur Folge hat. Dies führt in gleicher Weise wie oben beschrieben wurde, zur Ausschaltung der in den Übertragungsgliedern erzeugten Störeffekte durch Reibungskräfte.

Claims (3)

  1. Patentansprüche: 1. Kreiselvorrichtung zur Umwandlung eines von einem Meßwandler gelieferten Drehmoments in eine Wellenrotation, deren Geschwindigkeit dem Drehmoment proportional ist, mit einem kardanisch gelagerten Kreisel, dem das Drehmoment über die innere Kardanachse zugeführt wird, so daß der Kreisel um die äußere Kardanachse mit einer proportionalen Geschwindigkeit präzediert, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwindung von Reibung in der zwischen dem Meßwandler und der inneren Kardanachse (BB) angeordneten Übertragungsmechanik ein infolge der Präzessionsdrehung wirksam werdender magnetischer Hilfsdrehmomentgeber vorgesehen ist, der ein im Takt der Präzessionsdrehung alternierendes Drehmoment um die äußere Kardanachse (CC) und eine entsprechende oszillierende Präzession des Kreisels um die innere Kardanachse erzeugt.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der zwecks Erzielung einer ständigen Senkrechtstellung der Kreiselrotorachse bezüglich der äußeren Kardanachse ein Stützmomentgeber vorgesehen ist, der aus auf einer Verlängerung der Rotorwelle angeordneten mitrotierenden Magneten und einem den Stirnflächen der Magneten gegenüberstehenden gehäusefesten Wirbelstromring besteht, gekennzeichnet durch Verwendung dieses Stützmomentgebers auch als Hilfsdrehmomentgeber zur Überwindung der Reibung der Übertragungsmechanik, indem die Achse (DD) des Wirbelstromringes (55, 56) gegenüber der äußeren Kardanachse (CC) geneigt ist (F i g. 2).
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsdrehmomentgeber aus zwei bezüglich der äußeren Kardanachse (CC) symmetrisch angeordneten, in einer Anfangsstellung parallel zueinander verlaufenden Permanentmagneten (59, 60) besteht, deren einer am Kardanrahmen (21) und deren anderer am Kreiselgehäuse (22) befestigt ist (F i g. 3).
    In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2 410 473, 2914945.
DEG32756A 1960-07-20 1961-07-19 Kreiselvorrichtung zur Umwandlung eines Drehmoments in eine Wellenrotation Pending DE1282982B (de)

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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2410473A (en) * 1943-05-13 1946-11-05 William R Weems Electric directional gyroscope
US2914945A (en) * 1957-02-13 1959-12-01 Gen Electric Mass flowmeter

Patent Citations (2)

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