DE1473983C - Schwingrotorkreisel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schwingrotorkreisel mit einem ringförmigen Rotor, der mittels einem Paar radial angeordneter Torsionsschienen auf einer Antriebswelle befestigt ist und um die gemeinsame Torsionsachse der Torsionsschienen Schwingungen ausführt.

Das Prinzip des Schwingrotorkreisels ist bekannt. Man weiß auch, daß eine möglichst geringe Dämpfung für die Arbeitsweise des Schwingrotorkreisels von wesentlicher Bedeutung ist, daß die Eigenfrequenz des Schwingrotors auf die Rotationsfrequenz durch entsprechende Bemessung der Masse des Schwingrotors und der Steifheit der Aufhängefedern abgestimmt werden soll und daß der Schwingrotor stabilisiert werden muß.

Es ist bereits ein Schwingrotorkreisel bekannt (französische Patentschrift 1 328 401), dessen Gehäuse gemeinsam mit dem Trägheitselement umläuft und letzteres umschließt, wobei alle Elemente der Abfühleinrichtung im Gehäuse untergebracht sind und mit ihm umlaufen.

Darüber hinaus ist ein Schwingrotorkreisel bekanntgeworden (USA.-Patentschrift. 3 188 540), bei dem sowohl die Abfühleinrichtung als auch die Drehmomentgeber in dem rotierenden Gehäuse untergebracht sind.

Schließlich sind auch Schwingrotorkreisel bekannt (USA.-Patentschriften 2 719 291, 2 995 938, 2 991659), bei denen symmetrische elastische Aufhängungen zwischen dem Rotorelement und der Drehwelle vorgesehen sind.

Bei den bekannten Schwingrotorkreiseln ist die Befestigung des Schwingrotors kompliziert und aufwendig und entspricht in den Fällen, in denen eine erhöhte Genauigkeit gefordert wird, nicht den Anforderungen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Schwingrotorkreisel zu schaffen, bei dem die Befestigung des Schwingrotors so gewählt ist, daß eine minimale Dämpfung erzielt und damit die Genauigkeit der Arbeitsweise des Kreisels erhöht wird, daß keine ungleichmäßigen Verformungen des Schwingrotors bei Temperaturänderungen auftreten und die Störmomente durch die Aufhängung des Schwingrotors ausgeschaltet sind.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Torsionsschienen jeweils über Federmembrane mit dem ringförmigen Rotor verbunden sind und die Steifigkeit der Membrane gleich der Biegesteifigkeit der Torsionsschienen ist, so daß die radialen Federkräfte in Richtung der Torsionsachsen und rechtwinklig dazu den gleichen Betrag aufweisen.

Mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag wird eine minimale Dämpfung erzielt und die Genauigkeit der Arbeitsweise des Kreisels erhöht. Auf Grund der

ίο Verwendung der Membrane wird erreicht, daß sich die Torsionsschienen bei auftretenden Temperaturänderungen ausdehnen und zusammenziehen können. Ohne derartige Membrane ergeben sich auf Grund von Temperaturänderungen Verformungen des Schwingrotors, die eine Änderung der Eigenfrequenz der Vibrationsbewegung verursachen; die Vibrationseigenfrequenz muß aber konstant bleiben.

Ferner wird durch die Abstimmung der radialen Federkräfte erreicht, daß die Steifigkeit der elastisehen Aufhängung in Abhängigkeit von Verschiebungen des Schwerkraftmittelpunktes des Trägheitsringes in allen radialen Richtungen gleichförmig symmetrisch verläuft und eine Abtrift des Kreisels weitgehend ausgeschaltet ist.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung nut den Zeichnungen an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt in Richtung der Drallachse durch einen Schwingrotorkreisel gemäß der Erfindung,

F i g. 2 einen Querschnitt längs der Linie 4-4 nach Fig. 1, wobei das äußere Gehäuse und die linken Seitenteile der besseren Übersichtlichkeit wegen weggelassen sind,

F i g. 3 eine Schnittansicht längs der Linie 5-5 nach Fig. 1.

In den Fig. 1, 2 und 3 sind drei Ansichten eines Schwingrotorkreisels gemäß der Erfindung dargestellt. Es ist ein starrer, ringförmiger Rotor 21 vorgesehen, der rechtwinklig zur Ringebene mit einer starren Welle 23 über zwei Torsionsschienen 24 verbunden ist. Die Schienen 24 können mit der Welle 23 z. B.. durch Verkleben oder Verschweißen befestigt sein. Die Schienen 24 sind mit dem Rotor 21 über zwei Membrane 25 verbunden.

Im Querschnitt weisen die Schienen 24 kreuzförmige Gestalt auf. Diese Form ist gewählt, damit eine große Biegefestigkeit erhalten wird, wobei nur eine kleine elastische Konstante auftritt, und damit die Hysteresisverluste im Material, aus dem die Torsionsschienen 24 hergestellt sind, auf ein Minimum herabgesetzt werden. Obgleich die Dämpfung wesentlich verringert ist, tritt noch ein weiterer Fehler zweiter Größenordnung infolge hoher Trägheitskräfte auf.

Wenn der ringförmige Rotor an einer Befestigung aufgehängt ist, die nicht in allen Richtungen symmetrisch ist, bewirkt das Auftreten hoher Trägheitskräfte durch plötzliche Beschleunigungsänderungen eine Verschiebung des Schwerkraftmittelpunktes, die ein Störmoment auf den Rotor aufbringt und einen Triftfehler in einem beispielsweise zu stabilisierenden Plattformsystem einführt. Bei symmetrischer Aufhängung bewirkt hingegen eine Verschiebung des Schwerkraftmittelpunktes keine Störmomente und damit auch keine Abtrift.

Bei der Anordnung nach den Fig. 1,2 und 3 ist die kreuzförmige Querschnittsform der Torsionsschienen 24 so gewählt, daß ihre Biegecharakteristik

(Steifigkeit) in Abhängigkeit von einer Verschiebung gnetischen Abschirmmaterial, z. B. einer Eisenlegie-

des Schwerkraftmittelpunktes des Rotors 21 in einer rung mit hohem Nickelgehalt, hergestellt sein kann)

Richtung rechtwinklig zur Achse der Schienen 24 herrscht eine Unterdruckatmosphäre von 10~³ mm

gleichförmig verläuft. Eine wesentlich höhere Steifig- Quecksilbersäule, wodurch jede Luftdämpfung der

keit tritt jedoch auf, wenn der Schwerkraftmittel- 5 Vibrationen des Rotors 21 weitgehend beseitigt

punkt in Richtungen verschoben wird, welche eine wird.

längs der Achse der Torsionsschienen liegende Korn- Die Welle 23 ist in einem äußeren Gehäuse 33, das ponente umfassen, und zwar auf Grund der Steifig- aus einem Material wie z. B. Beryllium hergestellt ist, keit der Torsionsschienen 24 gegen ein Zusammen- mittels zweier Kugellager 34 gelagert, damit das Enddrücken längs ihrer Achsen. Um diese erhöhte Steifig- _l0 spiel für die Welle 23 so klein wie möglich gehalten keit auszugleichen, sind die zwei Membranen 25 an wird. Andererseits können Gaslager zur Verlängeden äußeren Enden der Torsionsschienen 24 zur Be- rung der Lebensdauer der Einrichtung verwendet festigung des Rotors 21 vorgesehen. Die Steifigkeit werden; jedoch ergeben Kugellager etwa die gleiche der Membranen gegenüber Bewegungen in der Nor- Ausgangsgenauigkeit im Schwingrotor. Eine indukmalen zu ihren parallelen Ebenen ist so gewählt, daß 15 tive Abnahmevorrichtung 35 und ein räumlich identider Gesamtwert gleich der Biegesteifigkeit der Tor- .scher induktiver Drehmomentgeber 36 (F i g. 3) sind sionsschienen ist. Damit wird eine symmetrische Auf- im Behälter 32 angeordnet, um die Auslenkung des hängung erreicht und eine Abtrift ausgeschaltet. Rotors 21 bei den Vibrationsbewegungen zu messen

Der Rotor 21, die Welle 23 und die Schienen 24 und einzustellen. Jede der Abnahme- und Drehmokönnen aus einem Material hoher Festigkeit, z.B. Ti- 20 mentvorrichtungen 35 und 36 weist zwei Permanenttan, hergestellt sein; die Materialien aller dieser EIe- magnete 39 auf, die so angebracht sind, daß sie mit mente werden vorteilhafterweise so gewählt, daß sie dem Behälter 32 mit Hilfe eines Paares von magneetwa gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten tisch getrennten Elementen 41 umlaufen, die ein entbesitzen. Um die Eigenfrequenz über einen weiten sprechendes vorgewähltes Feld erzeugen. Jedes der Temperaturbereich konstant zu halten, können Mate- 25 Paare .von Spulen 43 ist mit dem Rotor 21 über Trärialien mit konstantem Modul verwendet werden (bei ger 80 (F i g. 3) befestigt. Bei dem Schwingrotor denen die kombinierten Koeffizienten der thermi- (F i g. 3) ist im Rotor 21 Material in der Nähe der sehen Ausdehnung und der thermischen Änderung Vorrichtungen 35 und 36 ausgespart, damit das zuder Federkonstante etwa gleich Null sind). So beste- sätzliche Spulengewicht abgeglichen wird,
hen die Schienen 25 z.B. aus einem Nickel- 30 Das in der Spule 43 der Anordnung 35 erzeugte Chrom-Eisen und haben eine Form, die die ge- Abnahmesignal wird auf eine umlaufende, außen mit wünschte Federkonstante über einen weiten Tempe- dem Behälter 32 befestigte und sich mit diesem dreraturbereich ergibt. Die Schienen 24 können kreuz- hende Primärwicklung 45 eines umlaufenden Abnahförmigen Querschnitt oder andere Formen zur Erzie- metransformators 46 übertragen, der eine stationäre lung der geeigneten Federkonstanten mit minimaler 35 Sekundärwicklung 47 in Form von nicht dargestellten Dämpfung aufweisen. Der Rotor 21 wird um die Leitern innerhalb des Behälters 32 aufweist. Diese Achse der Welle 23 mit Hilfe eines mit konstanter Leiter sind mit dem Rotor 21, den Schienen 24, der Drehzahl umlaufenden Hysteresemotors in Drehbe- Welle 23 und dem Behälter 32 so befestigt, daß sie wegung versetzt (F i g. 1). Der Motor 27 ist ein keine Störmomente auf Grund von Beschleunigungen üblicherweise für Präzisionskreisel verwendeter Syn- 40 induzieren. In Betrieb wird eine Spannung in der chronmotor und besitzt einen Stator 28 mit entspre- Spule 43 der Abnahmevorrichtung 35 direkt proporchenden Statorwicklungen und einem Läufer 29. Der tional der maximalen Amplitude der Vibrationsaus-Eingangsstrom wird in üblicher Weise aus einer lenkung des Motors 21 induziert. Das Signal wird auf (nicht dargestellten) Speisequelle den Wicklungen des die Sekundärwicklung 47 übertragen. Das Ausgangs-Stators 28 zugeführt. Der Läufer 29 ist mechanisch 45 Spannungssignal gibt somit die Größe der Winkelvermit der Welle 23 befestigt und dreht sie mit konstan- Schiebung der Welle 23 durch ihre Amplitude an, ter Drehzahl N, die so gewählt ist, daß sie gleich der während ihre Phasenlage die Richtung der Winkel-Eigenfrequenz der Vibration des Rotors 21 um die .· verschiebung darstellt.

durch die Schienen 4 definierte Achse ist. Ein Ab- Falls erwünscht, etwa aus Gründen der anfängligleich der Rotordrehzahl N und der Eigenvibrations- 50 chen Einstellung einer zu stabilisierenden Plattform frequenz des Rotors 21 um die Torsionsschienen 24 oder aus anderen Gründen, werden Drehmomentwird durch Einstellen der Konstanten des Systems er- signale über die Drehmomentvorrichtung 36 aufgegereicht. ben, um die Vibrationen des Rotors 21 zu dämpfen

Ein gasdichter Behälter 32 umschließt den Rotor oder um gewünschte Drehmomente zur Änderung der 21 und dreht sich mit der gleichen Drehgeschwindig- 55 Stellung der von dem Schwingrotor zu stabilisierenkeit. Innerhalb des Behälters 32 (der aus einem ma- den Plattform zu erreichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schwingrotorkreisel mit einem ringförmigen Rotor, der mittels einem Paar radial angeordneter Torsionsschienen auf einer Antriebswelle befestigt ist und um die gemeinsame Torsionsachse der Torsionsschienen Schwingungen ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionsschienen (24) jeweils über eine Federmembrane (25) mit dem ringförmigen Rotor (21) verbunden sind und die Steifigkeit der Membrane (25) gleich der Biegesteifigkeit der Torsionsschienen (24) ist, so daß die radialen Federkräfte in Richtung der Torsionsachsen und rechtwinklig dazu den gleichen Betrag aufweisen.