DE1473958C3 - Kreisel mit drei Freiheitsgraden (V.St.A.) - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kreisel mit drei Freiheitsgraden, bei welchem der Kreisclrotor aus einer die Kreisclachsc bildenden Welle besteht, an deren Enden einerseits der Rotor des Kreiselmotors und andererseits eine Schwungscheibe angebracht sind, zwischen denen eine das mittlere Wellenstück umgreifende, eine Drehung des Kreisels um die beiden freien Achsen gestattende kardanisehe Aufhängung angeordnet ist, die drei Kardanringe umfaßt, deren innerer die Lagerung für den Kreiselrotor um die Kreiselachse bildet, deren mittlerer den inneren Ring um eine zur Kreiselachse senkrechte freie Achse lagert und deren äußerer Ring den mittleren Ring um eine zu den beiden anderen Achsen senkrechte, durch deren Schnittpunkt verlaufende freie Achse lagert und eine durch den Achsenschniupunkt gehende Bezugsachse für die Kreiselachsc definiert, und bei dem mindestens zwei kreisförmig um die Welle axial angeordnete Stellungsgeber vorgesehen sind, von denen jeweils ein Element mit dem äußeren Kardanring und eines mit dem inneren Kardanring starr verbunden ist.

Aus der GB-PS 950 694 ist ein derartiger Kreisel bekannt, der jedoch den Nachteil hat, daß neben dem sehr

ίο komplizierten Aufbau des gesamten Kreisels die Stellungsgeberanordnung am obersten Ende der Rotorachsc angeordnet ist und deshalb der zur Bestimmung der Sicllungsänderung frei verfügbare Winkel zwischen den Anschlägen sehr klein ist.

Einen ähnlichen Nachteil weist auch der aus der US-PS 2417 698 bekannte Kreisel auf, dessen Stellungsgeberanordnung ebenfalls am oberen Ende des Krciselrotors vorgesehen ist und bei der zwei relativ zueinander bewegte Spulen zusammenwirken.

ao Eines der mit derartigen Kreiseln verbundenen Probleme besteht in dem kleinen Abtriftfehler auf Grund von Lagerreibungswiderständen, die durch die Belastung der Lager durch die Masse und das Gewicht der kardanischen Aufhängung selbst verursacht werden.

Ein weiterer Abtriftfehler kann durch die leichte Ver-"biegung der nachgiebigen und elastischen kardanischen Aufhängung, durch die Vibration, Beschleunigungen und thermischen Spannungen entstehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kreisel der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem der zur Bestimmung der Stellungsänderung frei verfügbare Winkel auch bei einer kompakten und billigen Bauweise groß ist. wobei das Gewicht jener Teile des Stellungsgebers, die mit dem inneren Kardanring starr verbun- den sind, durch eine günstige Anordnung auf ein Minimum beschränkt werden soll.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die in dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs genannten Merkmale erreicht. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich aus den Merkmalen des Unteranspruchs.

Der Erfindungsgegenstand hat gegenüber den bekannten Kreiselgeräten den Vorteil, daß der radiale Abstand zwischen dem Schnittpunkt der drei Achsen und der Stellungsgeber auf ein Minimum reduziert ist. wodurch Fehler vermieden bzw. reduziert werden, die bei einem großen radialen Abstand von diesem Schnittpunkt durch Vibration usw. erzeugt werden. Außerdem sind beim Erfindungsgegenstand die Stellungsgeber so angeordnet, daß sie sich ständig senkrecht zueinander auf einem Radius um den Achsenschnittpunkt befinden, wodurch der dazwischenliegende Luftspalt gleich groß bleibt, wenn der innere Kardanring relativ zum äußeren Kardanring verschwenkt wird, und wodurch die Abtastempfindlichkeit der Stellungsgeber verbessert wird. Weitere konstruktive Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich durch die Möglichkeit einer kompakten Bauweise. Dies gilt insbesondere für die am inneren Kardanring befestigten, jeweils ein Joch für die Stellungsgeber bildenden Arme, die sehr leicht und einfach ausführbar sind. Bei dem erfindungsgemäßen Kreisel sind das Gewicht und die Abmessungen der kardanischen Aufhängung gegenüber dem Gewicht und den Abmessungen des darin aufgehängten Kreiselrotors wesentlich verringert. Außerdem ist die Nachgiebigkeit des kardanisch aufgehängten Stellungsgcbeis erheblich verkleinert.

Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin-

lung an Hand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kreisel mit drei Freiheitsgraden entlang der Linie 1-1 Jer F i g. 2.

F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1, F i g. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 der F i g. 1, F i g. 4 einen Schnitt entlang der Linie 4-4 der F i g. 1, F i g. 5 einen Schnitt entlang der Linie 5-5 der Fig. 1, F i g. 6 ein Detail der F i g. 1 in vergrößertem Maßstab,

F i g. 7 ein weiteres Detail der F i g. 1 in vergrößerem Maßstab.

Gemäß den Fi g. 1 bis 7 besteht der Kreisel 10 mit drei Freiheitsgraden aus einem Kreiselrotor 12 mit der -Creiselachse 14, einem inneren Kardanring 16 mit einer ersten Drehachse 18, der den Kreiselrotor 12 zur relati-/en Drehung um die Kreiselachse lagert, einem mittleen Kardanring 20 mit einer zweiten Drehachse 22, der den Kardanring um die Achse 18 lagert, und einem äußeren Kardanring oder Gehäuse 24, das vorzugsweise ao nationär ist, eine feste vertikale Bezugsachse 26 hat jnd den zweiten Kardanring 20 um die Achse 22 lagert. Der Kreisel 10 enthält ferner Stellungsgeber 28, die aus nehreren Elementen bestehen, welche koaxial auf dem nneren Kardanring 16 montiert sind und mit dem au-3eren Kardanring 24 zusammenwirken. Ferner ist eine Rückstellvorrichtung 30 vorgesehen, die ebenfalls aus Feilen besteht, welche koaxial auf dem inneren Karjanring 16 montiert sind und mit dem äußeren Kardaning 24 zusammenwirkt. Die Achsen 14, 18, 22 und 26 ;chneiden einander in einem gemeinsamen Schnittpunkt 31, um den der Kreiselrotor 12 eine beliebige Drehbewegung ausführen kann. Die Achsen 18 und 22 iegen bei jeder Neigung des Kreiselrotors 12 im weientlichen in einer Ebene. Die Kreiselachse 14 soll mit Hilfe des Stellungsgebers 28 und der Rückstellvorrichung 30 in Fluchtung mit der Bezugsachse 26 gehalten verden.

Nach F i g. 1 besteht der Kreiselrotor 12 aus einer im die Achse 14 konzentrisch angeordneten Schwungscheibe 32 von vergrößertem Durchmesser, ;inem Kreiselmotor 34, der in Abstand von der Schwungscheibe 32 koaxial zur gleichen Achse 14 angeordnet ist, und aus einer die Schwungscheibe 32 mit Jem Kreiselmotor 34 verbindenden Welle 36. Diese Gestaltung des Kreiselrotors 12 (Rotor — Welle — vlotor) hat in perspektivischer Sicht die Form einer Hantel. Der Kreiselmotor 34 besteht aus einem inneren Hysteresisring 38, der auf dem Ende der Welle 36 moniert ist, und einem aus einzelnen Blechen bestehenden Stator 40, der am inneren Kardanring 36 angebracht ist. Der mittlere Abschnitt 42 der Welle 36 ist in dem inneen Kardanring 16 drehbar gelagert.

Gemäß F i g. 1 und 5 weist der innere Kardanring 16 :inen Bohrungsteil 44 auf, der zwischen dem Schwun-,^rrad 32 und dem Motor 34 angeordnet ist. Das Bohungsteil 44 ist mit einer radial inneren, vorzugsweise •ylindrischen und mit der Kreiselachse 14 koaxialen Dberfläche versehen, die um den Wellenabschnitt 42 gelagert ist. Dazu dienen Kugellager 48 und 50, die zwichen der Innenfläche 46, der Oberfläche des Wellenibschnitts 42 und zu beiden Seiten des Schnittpunkts 31 :ngeordnet sind.

Wie aus F i g. 1 und 4 ersichtlich, ist ein Bestandteil ies inneren Kardanrings 16 als ein zylindrisch geformer Flansch 52 ausgebildet, der mit dem Bohrungsteil 44 oaxial verläuft und sich von dessen oberem Ende axial :ach oben erstreckt. Dieser Flansch 52 trägt den Stator 40 des Kreiselmotors 34 und ist mit einer Wandung 54 an der in Axialrichtung obersten Seite versehen. Am anderen Ende weist der innere Kardanring 16 einen die Schwungscheibe 32 umgebenden Schirm 56 auf, der als eine dünnwandige zylindrische Scheibe mit einer die Schwungscheibe 32 aufnehmenden, davon jedoch durch genügenden Spielraum getrennten Ausnehmung ausgebildet ist. Der Schirm 56 dient dazu, daß ein durch den Luftzug an der Schwungscheibe 32 entstehendes Drehmoment sich nur auf den tragenden inneren Kardanring 16, nicht aber auf den zweiten Kardanring 20 überträgt. Dadurch werden kleine Abtriftfehler auf Grund des Differentialdrehmomentes zwischen den Kardanringen 16 und 20 so klein wie möglich gehalten.

Nach F i g. 1 und 5 hat der zweite Kardanring 20 eine Wandung 58 von der Form eines achteckigen Ringes. In dieser Wandung 58 befindet sich koaxial zur Achse 18 ein erstes Paar axial voneinander entfernter Lager 60 und 62, die sich von der Wandung aus radial nach innen erstrecken und den Kardanring 16 gegenüber dem Kardanring 20 lagern. Koaxial mit der Achse 22 ist die Wandung 58 ferner mit einem zweiten Paar axial voneinander entfernter Lager 64 und 66 versehen, die sich von der Wandung 58 radial nach außen erstrecken und _den inneren Kardanring 20 gegenüber dem äußeren kardanring 24 lagern.

Entsprechend F i g. 5 und 7 bestehen die Lager 60 und 62 jeweils aus im inneren Kardanring 16 befestigten Auslegerdornen 59 und 61, die über entsprechende Kugellager 67 und 69 im zweiten Kardanring 20 gelagert sind. Die Lager 64 und 66 haben ähnliche im zweiten Kardanring 20 befestigte Dorne 63 und 65, die jeweils über Kugellager 71 und 73 im äußeren Kardanring 24 gelagert sind.

Aus F i g. 1 und 5 ist zu sehen, daß der äußere Kardanring 24, der die Lager 64 und 66 trägt, ebenfalls eine Wandung 68 von der Form eines achteckigen Ringes aufweist. Am oberen Ende der Wandung 68 erstreckt sich ein ringscheibenförmiger Wandteil 70 radial nach außen, der zur Montage des äußeren Kardanrings 24 dient. Der ringscheibenförmige Wandteil 70 trägt an .der äußeren Kante einen zylindrischen Flansch 72, der einen größeren Durchmesser als die Wandung 68 aufweist und den Kreiselmotor 34 radial umgibt.

Nach F i g. 1 und 4 trägt der Flansch 72 eine Abschlußplatte 74, die in axialer Richtung oberhalb des Kreiselmotors 34 und unter der Rückstellvorrichtung 30 angeordnet und welche mit der äußeren Kante des Flansches 72 durch Schraubenbolzen 76 od. dgl. abnehmbar verbunden ist. Der Flansch 72 trägt außerdem eine Kappe 78, die die Rückstellvorrichtung 30 umschließt. Ein an dem Wandteil 70 befestigter Deckel 80 umschließt die Schwungscheibe 32.

Gemäß den F i g. 1, 5 und 6 besteht der Stellungsgeber 28, der den Neigungswinkel zwischen der Kreiselachse 14 und der Bezugsachse 26 ermittelt, aus den Einheiten 100,102, 104 und 106, die von gleicher Bauweise und in axialer Richtung zwischen der Schwungscheibe 32 und dem Kreiselmotor 34 um die Wandung 68 herum angeordnet sind. Die Einheiten 100, 102, 104 und 106 bestehen aus inneren Elementen oder Eisenkernen 108, 110, 112 und 114, die in gleichem Abstand um die Achse 26 und voneinander auf der radial äußeren Seite des Kardanrings 24 angeordnet sind. Die mit dem inneren Kardanring 16 verbundenen äußeren Elemente oder Eisenjoche 116, 118, 120 und 122 sind den genannten Eisenkernen gegenüber auf dem Schirm 56 in gleichem Abstand voneinander und von der Achse 14 an-

geordnet.

Nach F i g. 5 haben die beiden Eisenkerne 108 und 112 eine gemeinsame Achse 124, während die gegenüberliegenden Eisenjoche 116 und 120 eine gemeinsame Achse 126 haben. Beide Achsen fallen bei einer Nullstellung des Kreisels zusammen. In ähnlicher Weise haben auch die Eisenkerne 110 und 114 eine gemeinsame Achse 128. die entsprechenden Eisenjoche 118 und 122 eine gemeinsame Achse 130. Auch diese beiden Achsen fallen in der Nullstellung des Kreisels zusammen. Die Achsen 124 und 128 stehen auf der Bezugsachse 26, die Achsen 126 und 130 auf der Kreiselachse 14 senkrecht/Außerdem verlaufen alle vier Achsen 124, 126. 128 und 130 durch den Schnittpunkt 31. Bei dieser bevorzugten Anordnung der Stellungsgeber 100, 102, 104 und 106 werden die Komponenten einer Radialverschiebung der Joche 116. 118, 120 und 122 relativ zu den Eisenkernen 108, 110, 112 und 114 so klein wie möglich gehalten im Vergleich zu den Komponenten der achsparallelen Verschiebung. Damit wird die Empfindlichkeit der Stellungsgeber erhöht. Außerdem werden durch eine solche Anordnungsweise das Gewicht und die Nachgiebigkeit der kardanisch aufgehängten Stellungsgebervorrichtung minimalisiert.

Unter Bezug auf Fi g. 6 soll nun der Eisenkern 108, mit dem die Kerne 110, 112 und 114 identisch sind, im einzelnen beschrieben werden. Der Kern 108 hat ein Paar von Schenkeln oder Polstücken 132 und 134, die bezüglich ihrer Achse 124 äquidistant und parallel angeordnet sind. Sie sind jeweils mit einer Primärwicklung 136 bzw. 138 umwickelt, über die entsprechende Sekundärwicklungen 140 bzw. 142 gelegt sind. Bei einer solchen Bauweise erzeugt die Erregung der Primärspulen 136 und 138 eine Ausgangsspannung an den Sekundärspulen 140 und 142. Die letzteren sind mit den diametral gegenüberliegenden Sekundärwicklungen des Kernes 112 so verbunden, daß die besagte Ausgangsspannung nur eine Rotation und nicht eine Translation mißt. Dadurch werden Abtriftfehler, die durch Translationen auf Grund von Beschleunigungen verursacht werden, so klein wie möglich gehalten. Da die Eisenkerne 108, 110, 112 und 114 weiterhin auf dem stationäten äußeren Kardanring 24 befestigt sind, erübtigt sich die Notwendigkeit flexibler Zuleitungen zu den Stellungsgebern.

Gemäß Fig. 1 und 3 umfaßt die Rückstellvorrichtung 30, die sich in axialer Richtung zwischen der Abschlußplatte 74 und dem oberen Deckel 78 befindet, eine Magnetanordnung 144, die koaxial mit der Bezugsachse 26 mit der Wandung 68 fest verbunden ist, und eine Wicklungsanordnung 146, die koaxial zur Kreiselachse 14 an der Wand 54 befestigt ist. Auf diese Weise können die beiden Achsen 14 und 26 in Fluchtung gebracht werden.

Fig.3 zeigt eine Magnetanordnung 144, bestehend aus einem Magneten 148 von länglicher Quadrantform mit zwei Schenkeln 150 und 152, die äquidistant von der Achse 26 in einer zu ihr senkrechten Ebene angeordnet sind. Die Schenkel 150 und 152 tragen an ihren Enden ein Paar von Polstücken 154 und 156, die vorzugsweise aus magnetischem Flußstahl bestehen und rechtwinklig zu den Schenkeln angeordnet sind. Die Magnetanordnung 144 weist außerdem einen magnetischen Schirm 158 auf, der mit der Wand 68 verbunden ist und einen U-förmigen Rückweg für die magnetischen Kraftlinien bildet. Die Wicklungsanordnung 146 besteht aus einem Paar von Drehspulen 160 und 162 von Ringform mit rechteckigem Profil, die jeweils

ίο mit den entsprechenden Polstücken 154 und 156 zusammenwirken. Die Spulen 160 und 162 werden von einer Gabel 164 getragen, die an der Wand 54 befestigt ist. Sie sind jeweils mit (nicht gezeigten) Wicklungen versehen, die mit entsprechenden Polstücken 154 bzw. 156 einen Luftspalt ergeben. Sie üben rechtwinklig zueinander, in gleichem Abstand von der Achse 14 und in einer zu ihr senkrechten Ebene wirkende Drehmomente aus. Die Gabel 164 ist mittels des Bolzens 96 und der Mutter 98 an dem Anschlagzapfen 92 befestigt und

ao verbindet auf diese Weise die Wicklungsanordnung 146 koaxial mit dem Kardanring 16.

Nach F i g. 1 und 3 ist die Stiftschraube % radial außerhalb der Mutter 98 mit einer Stellmutter 166 versehen, um den inneren Kardanring 16 bezüglich des

«5 Achsenschnittpunkts 31 auszutarieren. Die Gabel 164 - weist zwei axial nach außen gerichtete Wandstücke 168 und 170 mit je einem Gewindeloch 172 bzw. 174 auf, in das eine entsprechende Stellschraube 176 bzw. 178 eingepaßt ist. Die Achsen 180 und 182 der Schrauben 176 und 178 verlaufen rechtwinklig zueinander und liegen in einer zur Kreiselachse 14 senkrechten Ebene. Durch diese Bauweise ist es möglich, den Schwerpunkt des Kreiselrotors 12, des Kardanrings 16, des Kardanrings 20 und der von den Kardanringen 16 und 20 getragenen Teile in den Achsenschnittpunkt 31 zu verschieben und damit Abtriebsfehler klein zu halten, die sich daraus ergeben, daß der Kreisel nicht ausgewogen ist.

Wie in F i g. 1 zu sehen, wird der Kreisel 10 über einen auf dem oberen Deckel 78 angebrachten Anschlußstecker 184 mit elektrischem Strom versorgt. Von dort wird der Strom über die oberen flexiblen Leitungen 186 an die Wicklungsanordnung 146 der Rück-• Stellvorrichtung 30, über die unteren flexiblen Leitungen 188 an den Stator 40 des Kreiselmotors 34 und über (nicht gezeigte) Drahtverbindungen an den Stellungsgeber 28 verteilt.

Nach F i g. 1, 5 und 7 sind die Lager 60 und 64 jeweils mit sogenannten Bellville-Federn 190 bzw. 192 (F i g. 7) versehen, die jeweils zwischen den Kardanringen 16 und 20 bzw. 20 und 24 angeordnet sind. Die Lager 62 und 66 sind jeweils mit Beilagscheiben 194 und 196 versehen, die in ähnlicher Weise den Federn 190 bzw. 192 diametral gegenüber angeordnet sind, so daß der innere Kardanring 16 und ebenso der zweite Kardanring 20 in radialer Richtung bezüglich des äußeren Kardanrings 24 leicht verschoben werden kann; durch eine Vorspannung der Lager 67,69, 71 und 73 können damit die Achsen 14 und 26 zur Eichung des Kreisels 10 aufeinander eingestellt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kreisel mit drei Freiheitsgraden, bei welchem der Kreiselrolor aus einer die Krcisclachse bildenden Welle besteht, an deren Enden einerseits der Rotor des Krcisclmotors und andererseits eine Schwungscheibe angebracht sind, /wischen denen eine das mittlere Wellenstiick umgreifende, eine Drehung des Kreisels um die beiden freien Achsen gestattende kardanischc Aufhängung angeordnet ist, die drei Kardanringe umfaßt, deren innerer die Lagerung für den Kreiselmotor um die Kreiselachse bildet, deren mittlerer den inneren Ring um eine zur Kreiselachse senkrechte l'rejc Achse lagert, und deren äußerer Ring den mittleren Ring um eine zu den beiden anderen Achsen senkrechte, durch deren Schnittpunkt verlaufende freie Achse lagert und eine durch den Achsenschnittpunkt gehende Bezugsachse für die Kreiselachse definiert, und bei dem mindestens zwei kreisförmig um die Welle axial angeordnete Stellungsgeber vorgesehen sind, von denen jeweils ein Element mit dem äußeren Kardanring und eines mit dem inneren Kardanring starr verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellungsgeber (28) zwischen dem Kreiselmotor (34) und der Schwungscheibe (32) derart angeordnet sind, daß die auf dem äußeren Kardanring (24) angebiachten Elemente in einer die Bezugsachse (26) im Achsenschnittpunkt (31) unter rechtem Winke! schneidenden Fläche und die mit dem inneren Kardanring (16) verbundenen Elemente in einer die Kreiselachse (14) im Aehsenschnittpunkt (31) unter rechtem Winke! schneidenden Fläche liegen.

2. Kreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem äußeren Kardanring (24) angebrachten Elemente (108, UO, 112, 114) jeweils aus zwei parallelen, von einer Radiuslinie (124. 128) gleich weit entfernten Eisenkernen (132, 134) mit je einer Primärwicklung (136, 138) und einer darüberliegenden Sekundärwicklung (140, 142) bestehen und die als magnetische Joche ausgebildeten, mit dem inneren Kardanring (16) verbundenen Elemente (116. 118, 120. 122) symmetrisch zu entsprechenden Radiuslinien (126, 130) angeordnet und relativ zu den anderen Elementen (108. 110. 112. 114) einer Bewegung um eine Nullage fähig sind, in der-die Kreiselachse (14) mit der Bezugsachse (26) zusammenfällt.