DE1294689B - Vorrichtung zur Erzeugung eines Drehmoments - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Er- gelagerten Servoantrieb aufweisenden Art zu erzeugung eines Drehmoments an einer Aufhänge- reichen, ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, achse eines Kreisels. daß die Verbindung zwischen der zweiten gehäuse-

Ein an einer Aufhängeachse eines Kreisels er- fest gelagerten, drehmomentzuführenden Welle mit zeugtes Drehmoment soll eine Präzession des Krei- 5 dem Rotorträger durch ein gabelförmiges Zwischensels bewirken. Um eine genaue Bemessung der stück hergestellt wird, welches einerseits mit dem Präzessionsgeschwindigkeit zu erreichen, ist es er- Rotorträger über einen Kardanring, andererseits mit forderlich, daß das Drehmoment eine möglichst der drehmomentzuführenden Welle über eine zweigenau bekannte Funktion des für die gewünschte achsig elastische, zur Aufnahme von Lageänderun-Präzessionsgeschwindigkeit maßgebenden Steuer- io gen zwischen dem Rotorträger und der drehmomentsignals ist. zuführenden Welle dienende Zwischenkupplung ver-

Zu diesem Zweck ist es bereits bekannt, das bunden ist.

Drehmoment mittels einer Servosteuerung zu er- Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen

zeugen, die einen fest im Kreiselgehäuse gelagerten näher erläutert. In diesen zeigt Servoantrieb enthält, der das Drehmoment durch 15 F i g. 1 die schematische Darstellung der bekann-Spannung eines federnd biegsamen Elements erzeugt; ten Servosteuerung zur Erzeugung eines Drehdie ferner mit einem Geber versehen ist, der ein moments an einer Aufhängeachse eines Kreisels, Signal abgibt, das eine bekannte Funktion der Ver- F i g. 2 die schematische Darstellung einer Servo-

formung des federnd biegsamen Elements ist, und steuerung mit einer erfindungsgemäßen Feder zur die schließlich einen Differenzverstärker aufweist, 20 Erzeugung eines Drehmoments an der äußeren dem ein Signal, das die gleiche Funktion des ge- Kardanachse eines kardanisch aufgehängten Kreisels, wünschten Drehmoments ist, als Steuersignal und Fig.3 die erfindungsgemäße Feder in Seiten-

das vom Geber gelieferte Signal als Rückmeldesignal ansicht,
zugeführt wird. F i g. 4 die erfindungsgemäße Feder in ihrer Ver-

Entscheidend für die Güte einer solchen Vorrich- 25 formungsebene,

rung ist es, daß das durch die Verformung des Fig. 5 und 6 eine besondere Ausbildungsform der

federnd biegsamen Elements erzeugte Drehmoment erfindungsgemäßen Feder in zwei Ansichten, möglichst genau von dem die Verformung messen- Fig. 7 die perspektivische Darstellung einer Anden Geber reproduziert wird. Zu diesem Zweck muß Ordnung zur Erzeugung eines Drehmoments auch an das federnd biegsame Element die Forderung ₃₀ an der inneren Kardanachse eines kardanisch aufgestellt werden, daß seine Federkraft streng linear gehängten Kreisels mit einer weiteren erfindungsmit der Verformung zunimmt. Von weiterer wesent- gemäß ausgebildeten Servosteuerung, licher Bedeutung ist es aber auch, daß das federnd Bei der Anordnung nach Fig. 1 wird die von

biegsame Element so weich ist, daß die Erzeugung einem gehäusefest gelagerten Servomotor 1 ausgeeines bestimmten Drehmoments eine starke Verfor- ₃₅ führte Drehung über ein Untersetzungsgetriebe einer mung des Elements erfordert und somit der die Ver- Vorrichtung 2 zur mechanischen Erzeugung eines formung messende Geber das Drehmoment mit Drehmoments durch Verformung eines elastischen größerer Genauigkeit mißt, was günstig für die Elements und zur elektrischen Messung der Verfor-Arbeitsgenauigkeit der Servosteuerung ist. Aller- mung zugeführt.

dings muß dann nach Möglichkeit vermieden wer- ₄₀ Diese Vorrichtung 2 gibt an ihrem Ausgang ein den, daß das federnd biegsame Element nunmehr Signal 3 ab, das bei linearer Abhängigkeit zwischen durch etwaige Beschleunigungskräfte und Stöße zu- Verformung und zu messendem Drehmoment eine sätzlich verformt wird. Funktion des Drehmoments 4 ist, welches sie anZiel der Erfindung war im Rahmen der Erzeu- dererseits auf den Kreisel 5 ausübt, gung eines Drehmoments mit den vorgenannten ₄₅ Das Signal 3 wird am Eingang eines Differenz-Mitteln die Schaffung eines federnd biegsamen EIe- Verstärkers 6 dem Steuersignal 7 entgegengeschaltet, ments, welches diesen Forderungen gerecht wird Dieses Steuersignal definiert in jedem Zeitpunkt den und darüber hinaus nur wenig Bauraum erfordert. Wert des Drehmoments, das auf den Kreisel 5 aus-Erfmdungsgemäß ist die eine Servosteuerung der zuüben ist.

vorgenannten Art aufweisende Vorrichtung zur Er- 50 Die Anschlußrichtung ist so gewählt, daß der zeugung eines Drehmoments an einer Aufhänge- Verstärker 6 auf den Servomotor 1 in solchem Sinn achse eines Kreisels dadurch gekennzeichnet, daß einwirkt, daß dadurch die Differenz der Signale das federnd biegsame Element eine U-förmige Blatt- kleiner zu werden sucht. Der Wert des ausgeübten feder mit parallel zur Achse verlaufender Blattfläche Drehmoments 4 wird dadurch gleich dem vom ist, deren Enden einerseits mit dem Servoantrieb, 55 Steuersignal 7 definierten Wert mit einer Annäheandererseits mit dem auf der Achse gelagerten rung, die um so besser ist, je größer die Verstärkung Kreiselteil verbunden sind und deren Schenkel so des Verstärkers 6 ist.

bemessen sind, daß ihre Mitten in der Ruhestellung Fig. 2 zeigt als Beispiel einen kardanisch aufge-

wenigstens angenähert in der Achse liegen, um hängten Kreisel, dessen Präzession um die innere welche das Drehmoment ausgeübt wird. 60 Kardanachse durch Erzeugung eines Drehmoments

Wenn es sich speziell um einen kardanisch aufge- an der äußeren Kardanachse mit einer Servosteuehängten Kreisel handelt, ist die erfindungsgemäße rung erzielt wird, die nach dem soeben beschrie-Vorrichtung wegen des Erfordernisses, den Servo- benen Prinzip arbeitet.

antrieb fest im Kreiselgehäuse zu lagern, zunächst Die entsprechenden Teile sind mit den gleichen

nur für die äußere Kardanachse anwendbar. Um 65 Bezugszeichen wie in F i g. 1 bezeichnet, auch an der inneren Kardanachse eine gleichartige Der Servomotor 1 wirkt auf eine U-förmige Feder

Erzeugung eines Drehmoments mit einer zweiten 20 ein, die aus einer Basis 21 besteht, von der senk-Servosteuerung der genannten, einen gehäusefest recht zwei Schenkel 22 und 23 abgehen. Das freie

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Ende des Schenkels 22 ist in ein Teil 24 eingespannt, 52-52' mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω, die der welches das verformende Drehmoment vom Servo- folgenden Beziehung proportional ist:
motor 1 über die Zahnräder 11 bis 14 eines Untersetzungsgetriebes empfängt. D = Ω·Ιω.

Das freie Ende des Schenkels 23 ist in einem Teil 5

26 eingespannt, der fest mit einem Kardanring 50 Darin ist D der Wert des auf den Kreisel um die

verbunden ist, in welchem sich ein Rotorträger 51 Querachse ausgeübten Drehmoments 4, und Ιω ist

um Zapfen 52-52' drehen kann. der Drall eines Kreisels mit dem Trägheitsmoment /

Das letzte Rad 14 des Untersetzungsgetriebes des in bezug auf seine Drehachse, um welche er sich mit

Servomotors treibt eine Welle 15 an, die vom Lager io der konstanten Winkelgeschwindigkeit ω dreht, die

16 getragen wird und drehfest mit dem Teil 24 ver- sehr groß gegen Ω ist.

bunden ist. Diese Welle ist so ausgeschnitten, daß Es ist zu ersehen, daß die Präzessionswinkel-

ein Platz für die zwanglose Verformung der Feder geschwindigkeit Ω dem Drehmoment D proportional

20 gelassen wird. ist, also auch dem Drehmoment des Servomotors

Koaxial zur Welle 15 und rotationssymmetrisch 15 und dementsprechend dem Steuersignal 7, wenn alle

zu der geometrischen Achse 5-5' ist ein Induktions- Einstellungen richtig getroffen sind,

geber 27 angeordnet. Dieser enthält einen fest mit Dieses Ergebnis setzt voraus, daß das auf den

der Welle 15 verbundenen mittleren Statorteil 28, Kreisel ausgeübte Drehmoment 4 nur von der Ver-

der von einem Rotorteil 28« umgeben ist, der dreh- formung der Feder abhängt, unter Ausschluß aller

fest mit dem Kardanring 50 verbunden ist. 20 Störeffekte, die beispielsweise durch einen Mangel

Die aus dem Kardanring 50 und dem Geber 27 in der Ausrichtung der Achsen der Welle 15 und des

gebildete Anordnung wird von einem Lager 29 ge- Rahmens 50 oder durch unregelmäßige Reibungen

tragen, das koaxial zur Welle 15 liegt und in einer hervorgerufen werden können.

Ausnehmung dieser Welle angeordnet ist. Auf diese Durch die beschriebene besondere Anordnung,

Anordnung wird ein Drehmoment um die geome- 25 bei welcher das gleiche Lager 29 zur Zentrierung

irische Achse 5-5' von dem Teil 26 am Ende des des Gebers und zur Stützung des Rahmens 50 dient,

Schenkels 23 der Feder ausgeübt. werden derartige Störeffekte auf ein Mindestmaß

Der mittlere Teil 28 des Gebers trägt Statorwick- verringert.

lungen, denen von einer Quelle 30 eine Bezugs- In F i g. 7 ist dargestellt, wie man mit einer Vorwechselspannung zugeführt wird. Der Teil 28a trägt 30 richtung gemäß Fig. 2 auch ein Drehmoment an Rotorwicklungen, in denen von den durch die der inneren Kardanachse 52-52' erzeugen kann, um Statorwicklung 28 fließenden Strömen Spannungen eine Präzession des Kreisels um die äußere Kardaninduziert werden. achse 5-5' zu erzielen.

Entsprechend einer allgemein bekannten Eigen- In dieser Darstellung erkennt man gemeinsame schaft von herkömmlichen Induktionsgebem ist die 35 Organe, welche mit den gleichen Bezugszeichen veram Ausgang der Rotorwicklungen 28 a des Gebers sehen sind (beispielsweise das Rechengerät 70 und abgenommene Spannung 3 proportional zu der Be- die Spannungsquelle 30), sowie gleichartige Organe, zugsspannung und zum Sinus des Winkels, um die doppelt vorhanden sind und mit dem Bezugsweichen der Teil 28a gegen den Teil 28 verdreht ist, zeichen des entsprechenden Organs von Fig. 2 bed. h. im wesentlichen des Verformungswinkels Θ der 40 zeichnet sind, an das rechts die Ziffer 1 angefügt ist Feder 20, wenn dieser Winkel nicht zu groß ist. Die (beispielsweise den Servomotor 11, welcher dem Spannung 3 wird einem Eingang des Differenzver- Servomotor 1 entspricht, die Feder 201, die der stärkers 6 zugeführt, der an einem weiteren Eingang Feder 20 entspricht, usw.).

das Steuersignal 7 empfängt, das beispielsweise von Da der Servomotor 11 ebenfalls gehäusefest ge-

einem Rechengerät 70 geliefert wird. 45 lagert ist, wird das Drehmoment auf die innere

Die Regelschleife 1, 2, 3, 6 ist in herkömmlicher Kardanachse durch eine Anordnung übertragen, die

Weise entsprechend gedämpft, beispielsweise mit einen Kardanring zur Aufnahme von gegebenenfalls

Hilfe eines (nicht dargestellten) Tachometergenera- gleichzeitigen Winkelverstellungen um die äußere

tors, der in den Servomotor 1 eingebaut ist und Kardanachse und eine elastische Aufhängung zur

dessen Spannung 36 dem Eingang des Verstärkers 6 ₅₀ Aufnahme der Lageänderungen in vertikaler Rich-

zugeführt wird. tung enthält.

Die Servosteuerung arbeitet bekanntermaßen in Ein gabelförmiger Teil 53 überträgt auf den Rotorfolgender Weise: träger 51 ein um die innere Kardanachse 52-52' wir-

Der Servomotor übt ein Drehmoment aus, welches kendes Drehmoment über einen Kardanring 54.

die Feder um einen Winkel Θ verformt. 55 Der Teil 53 empfängt seinerseits das von der

Der Winkel Θ wird vom Geber in Form der Span- Welle 151 übertragene Drehmoment über eine zwei-

nung 3 gemessen, die dem Sinus Θ, also im wesent- achsig elastische Zwischenkupplung 55, 56, welche

liehen dem Drehmoment, proportional ist. die Lageänderungen in vertikaler Richtung auf-

Diese Spannung 3 wird dem Eingang des hoch- nimmt.

verstärkenden Verstärkers 6 in solchem Sinne zu- 60 Es sollen nun im einzelnen die Besonderheiten

geführt, daß sie dem vom Rechengerät 70 gelieferten der neuartigen Feder untersucht werden, welche sich

Steuersignal 7 entgegenwirkt. Der Servomotor 1 insbesondere durch ihre Eignung zur Abgabe eines

dreht sich, bis die beiden einander entgegenwirken- großen Drehmoments mit verhältnismäßig starker

den Spannungen 3 und 7 einander gleich sind; dies Verformung auszeichnet.

entspricht einem der Spannung 7 proportionalen 65 In F i g. 4 ist in Oberansicht die Verformung der

Wert der Verformung Θ. in F i g. 3 in Seitenansicht dargestellten Feder mit

Unter der Wirkung des erzeugten Drehmoments D den Schenkeln 22 und 23 unter der Wirkung eines

präzediert der Kreisel um die innere Kardanachse auf das Ende 26 ausgeübten Drehmoments gezeigt,

Claims (3)

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   wobei angenommen ist, daß das andere Ende 24 Die Rechnung zeigt, daß sich die gewellte Feder

   feststeht. Die ursprünglich geraden Schenkel ver- unter der Einwirkung eines Drehmoments in gleicher

   formen sich kreisbogenförmig. Weise wie die gerade Feder verformt.

   Die Rechnung zeigt, daß die Bewegung des freien Da die Biegsamkeit in der Längsrichtung unab-Endes unter der Wirkung eines reinen Drehmoments 5 hängig von der Zahl der Wellungen der Tiefe der sehr annähernd einer Drehung um einen Punkte Wellung proportional ist, wählt man diese Tiefe in entspricht, der in der Nähe der gemeinsamen Aus- Abhängigkeit von den zulässigen Belastungen der gangslage der Mittelpunkte der Schenkel des U-för- Lager und der zu erwartenden Verschiebungen,
   migen Teils liegt. Um zu verhindern, daß sich die Feder seitlich verWenn man umgekehrt dem freien Ende eine Dre- io schiebt, wenn auf sie ein unbeabsichtigter Zug oder hung um diesen Mittelpunkt erteilt, verformen sich Druck in der Richtung der Schenkel des U-förmigen die Schenkel sehr annähernd in Form von Kreis- Teils ausgeübt wird, ist es notwendig, daß die Einbögen, wodurch gewährleistet ist, daß sich das spannung nicht an der Achse, sondern an einem Biegemoment entlang diesen Schenkeln nur sehr Scheitel erfolgt und daß das den beiden Schenkeln wenig ändert. Unter diesen Bedingungen kann die 15 gemeinsame Ende 21 einem Scheitel entspricht, der Feder für eine gegebene Kraft eine sehr große auf der gleichen Seite wie die Einspannsteile liegt.
   Winkelverformung haben, und dieser Verformungs- Damit ein noch konstanteres Biegemoment entwinkel Θ ist mit sehr guter Näherung dem aus- lang einem gewellten Schenkel erhalten wird, ist es geübten Drehmoment proportional. vorteilhaft, die Feder so zu befestigen, daß der Man kann beträchtliche Verformungen, beispiels- ao Schwerpunkt G der Wirkungslinie, d. h. der Mitte weise 60° zu beiden Seiten der Ruhestellung er- der Wellung, geringfügig gegen den Drehpunkte halten, wobei diese Verformungen im wesentlichen versetzt ist, wie aus F i g. 6 erkennbar ist.
   dem übertragenen Drehmoment proportional blei- Die Wellung der Feder ergibt außerdem den ben; vorausgesetzt, daß der Geber linear ist, ermög- Vorteil, daß die abgewickelte Länge beträchtlich licht dies eine genaue Messung dieses Drehmoments, 35 vergrößert wird; sie ist beispielsweise fünfmal größer also eine genaue Steuerung der Winkelgeschwindig- als die Längsabmessung der Feder. Diese Länge keit der Präzession durch das Steuersignal in dem begrenzt aber die mögliche Verformung der Feder, zuvor beschriebenen Beispiel. Die Dicke kann proportional zu dieser Länge verWenn jedoch der Geber ein Signal liefert, das größert werden, so daß die Feder eine beträchtliche dem Sinus des Verformungswinkels der Feder pro- 30 elastische Energie speichern kann (proportional der portional ist (was bei großen Verformungswinkeln dritten Potenz ihrer Dicke).

   der Fall ist), erhält man natürlich gleichfalls eine Für eine praktische Ausführung wurde eine nach

   genaue Steuerung des Drehmoments und somit der der Erfindung ausgeführte Feder folgendermaßen

   Winkelgeschwindigkeit der Präzession, wenn das bemessen:

   vom Rechengerät 70 gelieferte Steuersignal gleich- 35 Maximales Drehmoment .... etwa 0,005 kpm
   falls dem Sinus des Winkels des gewünschten Drehmoments proportional ist. Verformungswinkel 0_max 60°

   Die nach der Erfindung ausgeführte Feder besitzt Abmessungen einer Federlamelle

   weitere vorteilhafte Eigenschaften. Da sie bei glei- (vgl. F i g. 6)

   eher Leistungsfähigkeit kürzer ist, ist die Gefahr, 40 „. „ , . _ia

   daß sie sich unter der Wirkung der Schwerkraft oder Wellungsschntt 16 mm

   von Stoßen durchbiegt, praktisch vernachlässigbar. Breite von Scheitel zu Scheitel 14 mm

   Ferner zeigt die Rechnung daß der Schwerpunkt _{ZaM der vo}ii_ständigen Wellungen

   einer so gebildeten Feder sich bei Verformung nur _{ffir dnen FederS}chenkel 3

   sehr wenig verschiebt. 45

   Eine flache Feder, die beispielsweise aus einem Erstreckung in der Längsrichtung .. 42 mm

   ebenen Blech U-förmig ausgeschnitten ist, wie in Abgewickelte Länge 213 mm

   Fig. 2 und 3 dargestellt ist, hätte allerdings den Abstand CG 0 4 mm

   Nachteil, daß sie in ihrer Ruhestellung eine zu große Aostana ο tr υ,* mm

   Steifigkeit in der Längsrichtung aufweist. Bei einer so Querschnitt 4 · 0,66 mm

   Kreiselaufhängung mit geringem Spiel würde die _oder 3 2 · 0,7 mm kleinste geometrische Abweichung in den Befestigungen (mechanische Toleranzen, Verschiebun- Der geringfügige Abstand C G gewährleistet ein gen bei der Montage, Ausdehnungen usw.) eine konstantes Biegemoment in der Nähe des größten starke Belastung der Lager zur Folge haben, wo- 55 Wertes von Θ.

   durch große Reibungsmomente hervorgerufen wür- Für eine Dicke von 0,7 mm beträgt die Spannung

   den, oder auch ein Verwerfen der Feder, wodurch für die größte Verformung bei richtiger Halterung

   eine Instabilität in der Nähe der Nullage und etwa 2700 kp/cm².

   schwerwiegende Störungen des linearen Zusammen- .. ,

   hangs zwischen dem Winkel und dem Drehmoment 60 Patentansprüche:

   hervorgerufen wurden. 1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Dreh-

   Diese Nachteile konnten dadurch beseitigt werden, moments an einer Aufhängeachse eines Kreisels,

   daß die Feder um die Mittellinie der Schenkel ge- bestehend aus einer Servosteuerung mit einem

   wellt wird, so daß ihr eine ausreichende Biegsamkeit gehäusefest gelagerten Servoantrieb, der das

   in der Längsrichtung erteilt wird. 65 Drehmoment durch Spannung eines federnd

   In F i g. 5 und 6 ist eine solche Feder in perspek- biegsamen Elements erzeugt; mit einem Geber, tivischer Ansicht bzw. in Oberansicht in ihrer Ruhe- der ein Signal abgibt, das eine bekannte Funkstellung dargestellt. tion der Verformung des federnd biegsamen

   Elements ist, und mit einem Differenzverstärker, dem ein Signal, das die gleiche Funktion des gewünschten Drehmoments ist, als Steuersignal und das vom Geber gelieferte Signal als Rückmeldesignal zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das federnd biegsame Element eine U-förmige Blattfeder (20) mit parallel zur Achse (5-5') verlaufender Blattfläche ist, deren Enden einerseits mit dem Servoantrieb (24), andererseits mit dem auf der Achse ge- ίο lagerten Kreiselteil (26) verbunden sind und deren Schenkel (22, 23) so bemessen sind, daß ihre Mitten in der Ruhestellung wenigstens angenähert in der Achse liegen, um welche das Drehmoment ausgeübt wird (F i g. 1 bis 4).
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel der U-förmigen Feder in einer Mehrzahl von vollständigen Wellungen gewellt sind und die Einspannstellen jeweils an einem Wellenscheitel liegen (F i g. 5 und 6).
3. 3. Kardanisch gelagerter Kreisel, bei dem die Erzeugung des Drehmoments an der äußeren Kardanachse durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichartigen Erzeugung eines Drehmoments auch an der inneren Kardanachse (52-52') mit einer zweiten Servosteuerung der genannten, einen gehäusefest gelagerten Servoantrieb aufweisenden Art die Verbindung zwischen der zweiten gehäusefest gelagerten, drehmomentzuführenden Welle (151) mit dem Rotorträger (51) durch ein gabelförmiges Zwischenstück (53) hergestellt wird, welches einerseits mit dem Rotorträger (51) über einen Kardanring (54), andererseits mit der drehmomentzuführenden Welle (151) über eine zweiachsig elastische, zur Aufnahme von Lageänderungen zwischen dem Rotorträger (51) und der drehmomentzuführenden Welle (151) dienende Zwischenkupplung (55, 56) verbunden ist (Fig. 7).

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 909519/188