DE1497256B2

DE1497256B2 - Vorrichtung zum periodischen umsteuern der drehrichtung eines drehantriebs fuer den mittleren von drei konzentrisch zueinanderliegenden laufringen eines waelzlagers

Info

Publication number: DE1497256B2
Application number: DE1966S0104972
Authority: DE
Inventors: Thomas Richard New York N.Y. Quermann (V-StA.)
Original assignee: Sperry Rand Corp., New York, N.Y. (V-StA.)
Priority date: 1965-07-22
Filing date: 1966-07-22
Publication date: 1977-05-18
Also published as: US3365959A; DE1497256A1; FR1504538A; GB1153921A; SE332299B

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum periodischen Umsteuern der Drehrichtung eines Drehantriebs für den mittleren von drei konzentrisch zueinanderliegenden Laufringen eines Wälzlagers bei einer Lagerung empfindlicher Präzisionsgeräte, insbesondere bei einer Lagerung von Kreiselgeräten mit paarweise angeordneten, als Dreiringlager ausgebildeten Wälzlagern, deren mittlere Laufringe gegensinnig zueinander hin- und hergehend angetrieben sind.

Die Genauigkeit eines Kreiselgerätes ist im allgemeinen als ein gewisses Maß der Abdrift der Kreiseldrehachse im Innertialraum definiert. Diese Abdrift entspricht der Formel

Hierin ist W die Abdrift, H das Winkeldrehmoment des Kreiselelements und T das Drehmoment der Störung, wobei alle diese Größen aufeinander senkrecht stehen. Das Drehmoment der Störung ist ein nicht konservatives Drehmoment und resultiert aus der relativ hohen Lagerreibung.

Ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verringerung der Abdrift bei Kreiselgeräten ist in der britischen Patentschrift 8 35 630 angegeben, wonach die Abdrift dadurch verringert wird, daß die mittleren Laufringe von zwei achsgleich mit Abstand voneinander angeordneten Dreiringlagern der Trageinrichtung in einander entgegengesetzten Richtungen gedreht werden und die Drehrichtung jedes der genannten mittleren Laufringe nach einer vorbestimmten Zahl von Umläufen periodisch und gleichzeitig umgekehrt wird. Die in der genannten Patentschrift angegebenen mittleren Laufringe werden um den gleichen Winkel zuerst in der einen und dann in der entgegengesetzten Richtung gedreht.

Es hat sich herausgestellt, daß bei der Anwendung der in der genannten Patentschrift angegebenen Maßnahmen der durchschnittliche Betrag der obengenannten unerwünschten Drehmomente, die zu einer Abdrift führen, wesentlich verringert wird, so daß sich auch der Durchschnittswert der Abdrift selbst merklich verringert. Die angegebenen symmetrischen Umkehrzyklen führen zu einer Differenz des mittleren nicht konservativen Drehmoments zwischen den beiden voneinander räumlich getrennten Dreiringlagern, so daß sich keine lang anhaltende einseitige Kreiselabdrift herausbilden kann.

Zu den nicht konservativen Drehmomenten hinzu kommen jedoch noch zyklisch wiederkehrende konservative Drehmomente, die von dem jeweiligen Zustand der Kugelverteilung in dem empfindlichen Lager abhängen. Diese konservativen Drehmomente ergeben sich aus Abweichungen der Kugeln oder der Laufringe von der idealen Form, aus einem möglichen radialen Lagerspiel oder einer Unvollkommenheit der Kugeloberfläche. Als Folge dieser Fehler steigt und fällt der entsprechende Laufring beim Durchlaufen einer Kugel unter radialer Last geringfügig. Unsymmetrien in den Lagern, deren Ausrichtung oder deren Antriebsstärke können dazu führen, daß sich der Kugelsatz des einen Dreiringlagers in der einen Richtung mit einer etwas verschiedenen Geschwindigkeit dreht als in der anderen. Das führt dazu, daß sich der Zustand der Kugelverteilung im Zeitpunkt der Bewegungsumkehr von einem Umkehrpunkt zum anderen ändert. Da in das Kreiselgerät ein unausgeglichener Anteil zyklisch wiederkehrender konservativer Drehmomente hereinkommt, wenn die Bewegungsumkehr nach Zeitintervallen eintritt, die von einer bestimmten integralen Zahl von Zyklen abweicht, so werden Änderungen des Umkehrpunktes zu einer entsprechenden Änderung der mittleren Abdrift des Kreiselgerätes führen. Die Größe dieses Effekts vergrößert sich mit der Zeit zwischen zwei Umkehrungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die störende Wirkung auch der zyklisch wiederkehrenden konservativen Drehmomente herabzusetzen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch, daß erfindungsgemäß die Vorrichtung den Drehantrieb zur Erzeugung einer fortschreitenden Bewegung der Wälzkörper bei einer Drehrichtung des mittleren Laufringes nach einem größeren Drehwinkel umsteuert als bei der anderen.

Durch die Erfindung werden Lagerunsymmetrien ausgeglichen und wird im Falle eines Kreiselgerätes die Abdriftcharakteristik verbessert.

Zu noch besseren Ergebnissen gelangt man, wenn gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Richtung der fortschreitenden Bewegung der Wälzkörper nach einer vorgegebenen Anzahl von Perioden umgesteuert wird.

Im folgenden werden an Hand der Figuren zunächst die Grundlagen der Erfindung im einzelnen erläutert und wird dann anhand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung beschrieben. In den Figuren zeigt

F i g. 1 schematisch ein radial belastetes Kugellager,

F i g. 2 eine schematische Darstellung eines symmetrischen Zyklus, die die unkompensierten Drehmomente erkennen läßt,

F i g. 3 eine Darstellung eines Zyklus ähnlich dem der F i g. 2, wobei jedoch die Umkehrzeit berücksichtigt ist,

F i g. 4 schematisch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung am Beispiel eines Kreiselgerätes,

F i g. 5 ein Diagramm, das einen unsymmetrischen Umkehrzyklus zeigt, wie er sich bei einem Gerät nach F i g. 4 ergibt.

Der grundlegende Ausdruck für das konservative Drehmoment eines radial belasteten Kugellagers, wie es in F i g. 1 dargestellt ist, lautet:

L =

r ■ w ■ e ■ sin β
R + r

Hierin ist

F i g. 2 zeigt das vorstehend formulierte konservative Drehmoment für ein einzelnes Lager, dessen Phasenlage so gewählt ist, daß sich bei Anwendung der in der genannten britischen Patentschrift angegebenen symmetrischen Zyklen die Ungleichmäßigkeiten maximal herausmitteln, und zwar unter der Annahme, daß die Bewegungsumkehr jeweils augenblicklich erfolgt. Der schraffierte Bereich ergibt den unkompensierten konservativen Drehmomentenimpuls wieder; dabei bedeutet »US« Uhrzeigersinn, »GUS« Gegenuhrzeigersinn.

Wenn man die Umkehrzeit berücksichtigt, dann stellt sich der obenerwähnte idealisierte symmetrische-Zy.klus so dar, wie dies in F i g. 3 wiedergegeben ist, wobei der schraffierte Bereich wiederum den umkompensierten Drehmomentimpuls bedeutet. Größe und Vorzeichen des nicht herausgemittelten Drehmomentenimpulses im Vergleich zu dem einen langen Zeitraum gemittelten Drehmoment des Kugellagers hängen von der Einstellung der Kugelverteilung zu den Zeitpunkten der

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r = Radius des inneren Laufringes an der Kugellaufspur,

R = Radius des äußeren Laufringes an der Kugellaufspur,

e = Exzentrizität des inneren Laufringes gegenüber dem äußeren,

w = radiale Belastung,

j3 = Winkel zwischen dem Vektor dieser Belastung und der Symmetrielinie zwischen zwei einander benachbarten belasteten Kugeln.

Bewegungsumkehr ab. Da die Kugeln nicht notwendigerweise mit der gleichen Geschwindigkeit umlaufen, wenn sich der angetriebene Laufring mit derselben Geschwindigkeit in entgegengesetzten Richtungen dreht, so werden sich die Kugelverteilungen an den Umkehrpunkten von Zyklus zu Zyklus langsam ändern, wobei sich eine langsame zyklische Veränderung der unausgemittelten Drehmomentenimpulse ergibt. Typische Werte der Progression, wie sie bei Kugellagern mit einer Umdrehung in der Sekunde und einer Bewegungsumkehr alle 10 Sekunden auftreten, liegen zwischen Null und einem Umlauf des Kugelsatzes in 15 Minuten. Für typische Kugellager mit 6 bis 7 Kugeln ergeben sich 6 bis 8 Drehmomentzyklen je Umlauf des Kugelsatzes, d. h. etwa einer je Kugel. Die Periode dieser Störung liegt so mindestens bei 2 Minuten und beträgt im allgemeinen 3 bis 5 Minuten. *

Diese niederfrequenten Drehmomentänderungen begrenzen hinsichtlich der Reaktionszeit die Leistungsfähigkeit von Systemen, die mit dieser Art von Kreiselgeräten arbeiten. F i g. 3 zeigt die Zunahme der Größe des nicht herausgemittelten Drehmomentes, die sich aus der Zunahme der Umkehrzeit ergibt.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, den Zwischenring eines jeden Lagers in der einen Richtung über einen größeren Winkelbereich hinweg anzutreiben als in der anderen. Herbeigeführt werden kann dies auf dreierlei Art und Weise:

1. dadurch, daß mit gleicher Geschwindigkeit verschieden lang angetrieben wird,

2. dadurch, daß mit verschiedener Geschwindigkeit gleich lang angetrieben wird und

3. dadurch, daß mit verschiedener Geschwindigkeit verschieden lang angetrieben wird.

Wenn man das Lager in der einen Richtung über einen größeren Winkelbereich laufen läßt als in der anderen, dann führt dies zu einer Progression des angetriebenen Laufringes und auch des Kugelsatzes in der Richtung des Antriebs über den größeren Winkelbereich. Wenn die Lager in den beiden Richtungen verschieden lang angetrieben werden, dann ergibt sich aus den ungleichen Antriebszeiten zusammen mit den ungleichen mittleren Drehmomenten der beiden gegensinnig laufenden Lager eines Paares ein symmetrisches einseitiges Drehmoment für das Kreiselgerät, das gleich

(L₁ - L₂)

ist, worin t\ und /2 die beiden verschiedenen Zeiten zwischen der Richtungsumkehr und L\ und L2 die mittleren Laufdrehmomente der beiden Lager bedeuten. Durch periodische Umkehr der Richtung der Asymmetrie kann diese einseitige Wirkung ausgeglichen werden. Nehmen wir an, t\ sei die Zeitdauer der Drehung eines Lagers im Uhrzeigersinn (US) und fe die Zeitdauer der Drehung im Gegenuhrzeigersinn (GUS), dann wird bei t\ > i2 das mittlere Drehmoment des Lagers Uhrzeigersinn (US) aufweisen. Wenn dagegen die Richtung der Asymmetrie umgekehrt wird, also bei t\ < t₂, dann wird sich das mittlere Drehmoment dieses Lagers umkehren und Gegenuhrzeigersinn (GUS) aufweisen.

Zu bemerken ist, daß die entgegengesetzt gerichteten Drehmomente in jedem Lager nur einmal während jedes Umkehrzyklus aufgemittelt werden. Um diese Art von Drehmoment schnell herauszumitteln, muß man die Zahl der steuernden Beeinflussungen groß wählen. Das

führt zu sehr kurzen Zeiten zwischen den Umkehrpunkteri; Wenn die Zeit so gewählt wird, daß das Lager zwischen den Ümkehrpunkten gerade einen Drehmomentzyklus durchläuft, dann wird eine nominelle Aufhebung eintreten, wobei jedoch eine hohe Umkehrfrequenz auftritt So stellt sich der bevorzugte Zyklus als eine asymmetrische Schwingung dar, die den angetriebenen Laufring mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit progressiv weiterbewegt und die Richtung der Progression periodisch umkehrt. Der Zweck ι ο der Unsymmetrie besteht darin, den Kugelsatz zu zwingen, von Umkehrpunkt zu Umkehrpunkt seine Stellung schnell zu ändern, damit sich die zyklisch wiederkehrenden Drehmomente schneller herausmitteln.

In F i g. 4 ist eine Ausführungsform der Erfindung an einem Kreiselgerät 10 gezeigt, das mit seiner Umlaufachse 11 von einem ersten Dreiringlager 12 und einem davon im Abstand angeordneten zweiten Dreiringlager 13 getragen wird. Die Aufgabe des in Fig.4 wiedergegebenen Stromlaufes besteht in der Bereitstellung von Impulsen zur periodischen Umschaltung des Antriebsmotors entsprechend dem in F i g. 5 wiedergegebenen asymmetrischen Impulszug.

Eine Spannungsquelle 14 (F i g. 4) liefert eine Wechselspannung von vorgegebener Frequenz z. B. von 400 Hz bei einer Genauigkeit von ±0,01%. Diese wird an die Eingänge zweier dualer Vorwahlzähler 15 und 16 angelegt. Jeder der beiden Vorwahlzähler 15 und 16 kann individuell so eingestellt werden, daß er für seine internen Kanäle A und B jeweils erste und zweite Impulse in Abhängigkeit von an äußeren Steuerwahlscheiben voreingestellten Zahlen liefert. So kann z. B. der duale Vorwahlzähler 15 so eingestellt sein, daß er 2093 Impulse auf seinem Kanal A und 2146 Impulse auf seinem Kanal B zählt, während der duale Vorwahlzähler 16 so eingestellt sein kann, daß er 2146 Impulse auf seinem Kanal A und 3000 Impulse auf seinem Kanal B zählt. Die Frequenz von 400 Hz der Spannungsquelle 14 wird von beiden dualen Vorwahlzählern 15 und 16 aufgenommen. Jeder der dualen Vorwahlzähler wird mit Hilfe von Schaltfront-Einstellvorrichtungen üblicher nicht dargestellter Art auf einen der beiden Kanäle geschaltet.

Die den Kanälen A und B zugeordneten Relais des betreffenden dualen Vorwahlzählers 15 bzw. 16 sind mit einer gemeinsamen Quelle 20 konstanter Spannung verbunden. Ein Ausgang des Kanals B des dualen Vorwahlzählers 15 ist mit der äußeren Rückstellvorrichtung des dualen Vorwahlzählers 16 verbunden. Die Kanäle A und B des dualen Vorwahlzählers 15 haben zusätzliche Ausgangsklemmen, die über ein Filter 21 mit dem linken Kontakt eines Relais 23 verbunden sind. In gleicher Weise sind auch die Ausgangsklemmen der Kanäle A und B des dualen Vorwahlzählers 16 über einen Filter 24 mit dem rechten Kontakt 25 des Relais 23 verbunden.

Ein einzelner Vorwahlzähler 26 ist mit dem dualen Vorwahlzähler 16 verbunden; er wird von den aus dessen Kanal B herauskommenden Impulsen gesteuert. Dieser Vorwahlzähler 26 zählt die ß-Impulse, und wenn eine durch eine nicht dargestellte Steuerwählscheibe voreingestellte Zahl erreicht ist, dann liefert der Zähler 26 einen Impuls über einen Inverter 27 an den Auslöser einer Flip-Flop-Schaltung 28, die den Kontaktarm 29 des Relais 23 so betätigt, daß abwechselnd einer der beiden Vorwahlzähler 15 und 16 ausgewählt wird.

Die Frequenz der Spannungsquelle 14 und die Summe der in dem dualen Vorwahlzähler 15 eingestellten Zahlen bestimmen die Zeit zwischen den von dem Vorwahlzähler 26 ausgehenden Impulsen; z. B. (2093 + 2146) χ 2,5 Millisekunden = 10,6 Sekunden. Der Kontaktarm 29 des Relais 23 steht mit einer Flip-Flop-Schaltung 30 in Verbindung, die ihrerseits das Leistungsumschaltrelais 31 betätigt.

Eine Stromversorgungsanlage 32, die dreiphasigen Wechselstrom von 100 Hz liefert, ist über das Relais 31 mit einem umsteuerbaren dreiphasigen Synchronmotor 33 verbunden. Der Motor treibt über einen Zahnradgetriebesatz 34 die mittleren Laufringe 35 und 36 der Dreiringverbundlager 12 und 13 an, und zwar jeweils in entgegengesetzter Richtung. Die Einstellung des Leistungsumschaltrelais 31 bestimmt dabei die Richtung der Motordrehung.

Nun zur Betriebsweise. Es sei angenommen, der Kontaktarm 29 des Relais 23 befinde sich in der wiedergegebenen Stellung, in der er am linken Kontakt 22 anliegt, die dualen Vorwahlzähler seien so eingestellt, wie dies im vorstehenden angegeben ist, und die in den einzelnen Vorwahlzähler 26 eingegebene Zahl sei Null. Die Stromversorgungsanlage 32 läßt den Motor 33 sich im Uhrzeigersinn drehen. Auf diese Weise treibt der /1 Motor 33 beide mittlere Laufringe 35 und 36 über den Zahnradgetriebesatz 34 ineinander entgegengesetzten Richtungen an. Nach 2093 Impulsen, d. h, nach dem Ablauf von 5,24 Sekunden liefert der Zähler 15 einen Impuls, der die Flip-Flop-Schaltung 30 auslöst, so daß das Relais 31 betätigt wird, wodurch die Betriebsspannung des Motors 33 umpolt und damit die Drehrichtung des Motors gewechselt wird. Der duale Vorwahlzähler 15 zählt dann 2146 Impulse mit Hilfe seines Kanals B, und am Ende von 5,36 Sekunden wird die Flip-Flop-Schaltung 30 durch den Zähler 15 erneut ausgelöst, worauf das Relais 31 die Betriebsspannung 32 des Motors 33 umpolt und diesen zu einer Umkehr der Drehrichtung zwingt Dieser Zyklus führt dazu, daß die mittleren Laufringe 35 und 36 5,24 Sekunden lang in der einen und 5,36 Sekunden lang in der entgegengesetzten Richtung gedreht werden, so daß sich die gewünschte Rotationsunsymmetrie ergibt.

Wenn beim Zähler 15 ein Impuls nach Durchführung der entsprechenden Zählung, d. h. hier nach 5,36 Sekunden aus dem Kanal B ausgelöst wird, dann wird < der Zähler 16 zurückgestellt, und es wird ein Impuls auf den Vorwahlzähler 26 gegeben. Nach einer vorgegebenen Zahl derartiger Impulse, z. B. nach 7 Impulsen, liefert der einzelne Vorwahlzähler 26 einen Ausgarigsimpuls, der in dem Inverter 27 gepolt wird und die Flip-Flop-Schaltung 28 auslöst, so daß sich die Stellung des Relais 23 ändert und der Kontaktarm 29 nunmehr an dem rechten Kontakt 25 anliegt. Der Vorwahlzähler 16 tritt nun in Aktion, jedoch arbeitet der Vorwahlzähler 15 weiter, wenn er auch wegen der geänderten Stellung des Relais 23 keine direkte Wirkung auf die Steuerung des Motors 33 ausübt. Der duale Vorwahlzähler 16 beginnt nun mit Hilfe seines Kanals A 5,36 Sekunden lang zu zählen, und am Ende dieser Zeit wird die Flip-Flop-Schaltung 30 erneut ausgelöst Dadurch wird das Relais 31 erregt, so daß es die Betriebsspannung 32 des Motors 33 umpolt, worauf die Drehrichtung der mittleren Laufringe 35 und 36 umgekehrt wird. Nun beginnt der Kanal B des dualen Vorwahlzählers 15 zu zählen. Nach weiteren 5,24 Sekunden wird der duale Vorwahlzähler 16 mit Hilfe eines von dem Kanal B des dualen Vorwahlzählers 15 ausgehenden Rückstellimpulses zurückgestellt und die Flip-Flop-Schaltung 30

ausgelöst, so daß das Relais 31 wieder schaltet und die Drehrichtung des Motors 33 erneut umkehrt Dabei entsteht ein bezüglich des 5,24- und 5,36-Sekunden-Zyklus asymmetrischer Zyklus mit einem völligen Durchgang nach 7 Zyklen, wie dies in Fig.5 dargestellt ist. Dabei wird nicht nur der Momentenpegel über den gesamten Zyklus herausgemittelt, sondern auch die kleinen Drehmomente, die zufolge von Asymmetrien in den Lagern 12 und 13 hereinkommen, wie dies bereits weiter oben dargestellt worden ist In dieser Weise wird die Genauigkeit des Kreiselgerätes 10 unter Verringerung seiner Abdrift wesentlich verbessert

Der Kanal B des dualen Vorwahlzählers 16 ist so ausgelegt, daß er auf eine größere Zahl anspricht als die anderen Kanäle, um so die Zähler 15 und 16 synchron zu halten. Die Summe der A- und ^-Zählungen würde für die Zähler 15 und 16 dieselbe sein, wenn der Kanal fides Zählers 16 auf dieselbe Zahl eingestellt wäre, wie der Kanal A des Zählers 15, nämlich auf 2093. Wenn jedoch der Kanal B des Zählers 16 auf eine größere Zahl eingestellt ist, z. B. auf 3000, dann wird der Rückstellimpuls von dem Zähler 15 geliefert, so daß beide Zähler 15 und 16 neu zu zählen beginnen, sobald der Zähler 15 die Zahlen seiner Kanäle A und Bausgezählt hat

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

709 520/162

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum periodischen Umsteuern der Drehrichtung eines Drehantriebs für den mittleren von drei konzentrisch zueinanderliegenden Laufringen eines Wälzlagers bei einer Lagerung empfindlicher Präzisionsgeräte, insbesondere bei einer Lagerung von Kreiselgeräten mit paarweise angeordneten, als Dreiringlager ausgebildeten Wälzlagern, deren mittlere Laufringe gegensinnig zueinander hin- und hergehend angetrieben sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung den Drehantrieb zur Erzeugung einer fortschreitenden Bewegung der Wälzkörper bei einer Drehrichtung des mittleren Laufrings nach einem größeren Drehwinkel umsteuert als bei der anderen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung die Richtung der fortschreitenden Bewegung der Wälzkörper nach einer vorgegebenen Anzahl von Perioden umsteuert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei duale Vorwahlzähler (15, 16) vorgesehen sind sowie eine Einrichtung (14), die den Zählern (15, 16) elektrische Impulse oder Schwingungen zuführt, wobei die beiden Zähler (15, 16) so voreingestellt sind, daß sie eine erste, und zwar gleiche Anzahl von Impulsen zählen entsprechend dem ersten Drehwinkel und eine von ihr verschiedene zweite, aber nicht notwendigerweise untereinander gleiche Anzahl von Impulsen entsprechend dem zweiten Drehwinkel, und daß das Ausgangssignal jeweils eines der beiden Zähler (15, 16) über ein Zweiwegrelais (23) wechselweise einer Umschaltvorrichtung (30, 31) zugeführt wird, die eine mit einem Antriebsmotor (33) verbundene Stromversorgungsanlage (32) so steuert, daß die mittleren Laufringe (35, 36) während des Zählens der ersten Zahl von Impulsen in der einen und während des Zählens der zweiten Zahl von Impulsen in der anderen Drehrichtung gedreht werden, und daß ein die fortschreitende Bewegung der Wälzkörper umkehrender Zähler (26) vorgesehen ist, der so voreingestellt ist, daß er das Zweiwegrelais von dem einen dualen Vorwahlzähler (z. B. 15) auf den anderen dualen Vorwahlzähler (z. B. 16) umschaltet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung die Richtung der fortschreitenden Bewegung der Wälzkörper nach wenigstens einem vollen Wälzkörperumlauf umsteuert.