DE1523773C

DE1523773C - Device for timing and timing

Info

Publication number: DE1523773C
Application number: DE19651523773
Authority: DE
Inventors: C Walton Palos Verdes Estates Ransom Maurice R Torrance Cahf Musser (V St A) G04b 19 24
Original assignee: Harvey Aluminum Inc
Current assignee: Harvey Aluminum Inc
Priority date: 1964-03-30
Filing date: 1965-03-17
Publication date: 1973-04-19

Description

Das Hauptpatent 1523 772 betrifft eine Vorrichtung zur Zeitmessung und Taktgabe mit einem Antrieb und einem mit diesem zur Erhaltung des Winkeldrehmomentes der Antriebswelle derart zusammenwirkenden mechanischen Schwinger, daß letzterer einem größeren Antriebsmoment einen größeren Widerstand und einem kleineren Antriebsmoment einen kleinereren Widerstand entgegensetzt, indem zwischen der Antriebswelle und einem nechanischen Schwinger ein nichtlineares Antriebsmittel oder Kopplungsglied eingeschaltet ist, das mit sich sinusförmig verändernder Winkelgeschwindigkeit den sich drehenden mechanischen Schwinger antreibt, so daß bei der dessen Resonanzfrequenz entsprechenden Antriebsdrehzahl Schwinger und Antrieb synchron miteinander verbunden sind und. die Drehzahl des Antriebs durch die Schwingungen des Schwingers geregelt wird. ^; The main patent 1523 772 relates to a device for time measurement and clocking with a drive and a mechanical oscillator that interacts with this to maintain the angular torque of the drive shaft in such a way that the latter opposes a larger drive torque with a greater resistance and a smaller drive torque with a smaller resistance by placing between the drive shaft and a mechanical oscillator, a non-linear drive means or coupling member is switched on, which drives the rotating mechanical oscillator with sinusoidally changing angular velocity, so that at the drive speed corresponding to its resonance frequency, the oscillator and drive are synchronously connected to one another and. the speed of the drive is controlled by the vibrations of the vibrator. ^;

Diese Vorrichtung zur Zeitmessung und Taktgabe ist auch schon bekannt (USA.-Patentschrift 3 113 415). Sie ist gegenüber den üblichen Zeitmeßgeräten mittels Unruh- und Ankerhemmung erheblich besser, da sehr viel kleinere Zeitänderungen zur Verfügung stehen, der Anlauf absolut gesichert ist, die Kontinuität des Betriebes garantiert wird und eine extrem große Genauigkeit des Betriebes ebenfalls gesichert ist.This device for time measurement and clocking is also already known (USA.-Patent 3 113 415). It is considerable compared to the usual timepieces using balance and lever escapement better, since very much smaller time changes are available, the start-up is absolutely secured Continuity of the operation is guaranteed and an extremely high accuracy of the operation is also ensured is.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, diese . Lösung so zu verbessern, daß sie nicht von Fliehkräften beeinflußt wird und dennoch äußerst kleine Zeitabschnitte nutzbar gemacht werden können, wobei sie mit Sicherheit ununterbrochen arbeitet und ihre Genauigkeit gewährleistet ist. Dies wird erfihdungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs umrissenen Art dadurch erreicht, daß der Schwinger als Torsionsschwinger ausgebildet ist, indem eine Masse über eine torsionselastische Kupplung mit der Ausgangsseitedes nichtlinearen Antriebs verbunden ist und daß mit dessen sich gleichförmig drehender Eingangsseite eine weitere Masse fest verbunden ist. Hierdurch wird die Winkelschwingung zwischen den Massen so beeinflußt, daß das Antriebsdrehmoment absorbiert und die Winkelgeschwindigkeit reguliert wird, wenn sich die Periodizität der Phasenverschiebung der Resonanzfrequenz der Torsionsschwingung nähert.The invention has set itself the task of this. To improve the solution so that it is not influenced by centrifugal forces and yet extremely short periods of time can be harnessed, with certainty of continuous operation and its accuracy is guaranteed. According to the invention, this is the case outlined above in a device Kind achieved in that the oscillator is designed as a torsional oscillator by placing a mass over a torsionally elastic coupling is connected to the output side of the non-linear drive and that with whose uniformly rotating input side is firmly connected to a further mass. This will make the Angular vibration between the masses influenced so that the drive torque is absorbed and the angular velocity is regulated when the periodicity of the phase shift of the resonance frequency approaches the torsional vibration.

Zweckmäßig kann die erste Masse mit konstanter Drehzahl drehbar sein, wobei eine Einrichtung mit geringer Hysterese vorgesehen ist, welche die beiden Massen trägt. ■The first mass can expediently be rotatable at a constant speed, one device with a lower speed Hysteresis is provided, which carries the two masses. ■

Vorzugsweise kann die Antriebseinrichtung ein Zahnradgetriebe umfassen, welches die zweite Masse von der ersten Masse aus in Umdrehung versetzt und ein sich periodisch veränderndes Verhältnis von Eingangsdrehzahl zu Ausgangsdrehzahl aufweist. Dabei kann das Zahnradgetriebe miteinander kämmende Zahnjäder aufweisen, deren Rollkreisradius veränderbar ist.Preferably, the drive device can comprise a gear transmission, which the second mass offset from the first mass in rotation and a periodically changing ratio of input speed to output speed. The gear transmission can be meshing with one another Have Zahnjäder, the pitch circle radius can be changed.

Die erste Masse kann vorzugsweise eine wesentlich... größere Trägheit als die zweite Masse aufweisen.'The first mass can preferably have a substantially ... have greater inertia than the second mass. '

Zweckmäßig kann die torsionselastische Kupplung aus einem torsionselastischen.Stab bestehen.The torsion-elastic coupling can expediently consist of a torsion-elastic rod.

Der wesentliche Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausbildung besteht darin, daß durch Verwendung sich drehender und elastisch beaufschlagter Massen, über die eine sich drehende elastisch beaufschlagte Masse eine isochronische Veränderung der Winkelgeschwindigkeit mit einer nichtlinearen Bewegung synchronisiert und verkoppelt wird, wobei eine genau kontrollierte konstante Winkelgeschwindigkeit erzeugt wird. Demzufolge werden der Anlauf, der ununterbrochene Gang und die Genauigkeit durch die schwingende Masse begründet, welche die Geschwindigkeit des Antriebes mit äußerster Genauigkeit regelt. Weiterhin arbeitet die Vorrichtung gemäß Erfindung beständig und absolut gleichmäßig.The main advantage of this training according to the invention is that through use rotating and elastically loaded masses, over which a rotating one was elastically loaded Mass an isochronic change in angular velocity synchronized with a non-linear movement and is coupled, producing a precisely controlled constant angular velocity will. As a result, start-up, uninterrupted speed and accuracy are enhanced by the vibrating mass, which regulates the speed of the drive with the utmost accuracy. Furthermore, the device according to the invention works consistently and absolutely uniformly.

Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. In den Zeichnungen ist die /The invention will now be described in detail. In the drawings the /

F i g. 1 eine schaubildliche Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung,F i g. 1 is a diagrammatic representation of an embodiment of the invention,

F i g. 2 eine schematische Darstellung der durch eine Feder miteinander verbundenen schwingenden Massen nach der Erfindung,F i g. 2 shows a schematic representation of the oscillating elements connected to one another by a spring Masses according to the invention,

F i g. 3 eine schematische Darstellung einer eineF i g. 3 is a schematic representation of a

Drehschwingung ausführenden Masse und deren Beziehung zu einer federnden Kupplung,Torsional vibration executing mass and its relation to a resilient coupling,

F i g. 4 eine graphische Darstellung der Schwingungsamplitude der Masse nach der F i g. 3 in Abhängigkeit von der Frequenz,F i g. 4 is a graphical representation of the oscillation amplitude of the mass according to FIG. 3 depending on the frequency,

F i g. 5 eine der F i g. 4 ähnliche graphische Darstellung, die den Reziprokwert der Schwingungsamplitude in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt,F i g. 5 one of the F i g. 4 similar graph showing the reciprocal of the vibration amplitude shows as a function of the frequency,

F i g. 6 die Abhängigkeit der Schwingfrequenz bei drei willkürlich gewählten Winkelgeschwindigkeiten K, L und N bei Frequenzen, die kleiner sind als die für den Resonanzfall nach den F i g. 4 und 5 erforderliche Drehzahl,F i g. 6 shows the dependence of the oscillation frequency at three arbitrarily selected angular velocities K, L and N at frequencies that are lower than those for the resonance case according to FIGS. 4 and 5 required speed,

F i g. 7, 8 die Darstellung der Phasen- und Amplitudenbeziehung zwischen der Ausgangswelle und der schwingenden Masse bei den verschiedenen unterhalb des Resonanzfalls liegenden Winkelgeschwindigkeiten K, L, N, F i g. 7, 8 the representation of the phase and amplitude relationship between the output wave and the oscillating mass at the various angular velocities K, L, N lying below the resonance case,

F i g. 9 Phasen- und Amplitudenbeziehung im Resonanzfall bei der Drehzahl N, F i g. 9 phase and amplitude relationship in the case of resonance at speed N,

F i g. 10, 11 je eine den vorstehend genannten Figuren ähnliche Darstellung, die den Plus- und Minuswert der Schwingungsamplitude in Abhängigkeit von der Zeit zeigt,F i g. 10, 11 each one of the aforementioned figures similar representation showing the plus and minus values of the oscillation amplitude as a function of time shows

Fig. 12 eine graphische Darstellung der Torsionsbelastung des Werks in bezug auf die Amplitude der Torsionsschwingung,Figure 12 is a graph of torsional stress of the work in terms of the amplitude of the torsional vibration,

Fig. 13 eine der Fig. 12 ähnliche Darstellung, die den Leistungsverlust im Werk in bezug auf die Torsionsbelastung zeigt,FIG. 13 is a representation similar to FIG. 12, which shows shows the loss of performance in the factory in relation to torsional loading,

Fig. 14 eine graphische Darstellung eines besonderen Merkmals der Erfindung, die den Leistungsverlust in bezug auf die Winkelgeschwindigkeit zeigt, wobei der im wesentlichen senkrecht verlaufende Teil der Kurve eine die Geschwindigkeit regulierende Schranke festsetzt,Figure 14 is a graphic representation of a particular one Feature of the invention showing the power loss in relation to angular velocity, wherein the essentially vertical part of the curve regulates the speed Sets the barrier,

Fig. 15, 16, 17 je eine Darstellung einer weiteren Verbesserung nach der Erfindung, wobei die Kennkurve nach der Fi g. 15 noch steiler verlauf t, wodurch eine genaue, die Geschwindigkeit regulierende Schranke geschaffen wird, und die15, 16, 17 each show a representation of a further Improvement according to the invention, the characteristic curve according to FIG. 15 is even steeper, which means a precise, speed-regulating barrier is created, and the

Fig. 18 eine Darstellung der Drehzahlkonstanz, die sich bei einem betriebsfähigen Modell der Einrichtung nach der Erfindung ergab.18 shows a representation of the constancy of the speed, which is based on an operational model of the facility according to the invention.

Wird eine Antriebsvorrichtung über eine nichtlineare Kraftübertragung mit einem System verbunden, das Torsionsschwingungen ausführen kann, so werden im Bereich der Eigen- bzw. Resonanzfrequenz Abweichungen der Schwingungen der angetriebenen Masse von deren Eigenfrequenz sehr wesentlich beeinflußt, und zwar durch Addition oder Subtraktion der zugeführten Leistung, so daß keine wesentliche Änderung der Resonanzfrequenz der Torsionsschwingung erfolgt. Treten umgekehrt beim Antrieb, der eine Masse, welche Torsionsschwingungen ausführen kann, in Umdrehung versetzt, bei der Eigenfrequenz der torsionsschwingenden Masse, die von den Trägheitsmomenten und von den Federkonstanten bestimmt wird, Schwankungen der Ausgangswinkelgeschwindigkeit auf, so besteht ein schmaler Drehzahlbereich, in dem eine wirksame Energieübertragung zwischen der Kraftquelle und der torsionsschwingenden Masse erfolgt. Diese Energieübertragung ist bei der Eigenfrequenz periodisch und erfolgt, da die Schwingungsabweichungen der Masse durch den periodischen Austausch zwischen potentieller und kinetischer Energie herbeigeführt werden.
-^F ig. 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung mit einer sich mit konstanter Drehzahl drehenden Welle A, mit einer nichtlinearen Antriebseinrichtung B, die von der Welle A aus die Welle C mit veränderlicher Drehzahl antreibt, mit einer sich mit der Welle A drehenden Masse M₁ (im Gehäuse 13), mit einer sich mit der Welle C drehenden Masse M₂ und mit einer elastischen Torsionskupplung zwischen der Masse M₂ und der Welle C.If a drive device is connected via a non-linear power transmission to a system that can perform torsional vibrations, deviations of the vibrations of the driven mass from its natural frequency are very significantly influenced in the range of the natural or resonance frequency, namely by adding or subtracting the supplied power, so that there is no significant change in the resonance frequency of the torsional vibration. Conversely, if the drive, which rotates a mass that can execute torsional vibrations, fluctuates in the output angular velocity at the natural frequency of the torsionally vibrating mass, which is determined by the moments of inertia and the spring constants, then there is a narrow speed range in which a effective energy transfer takes place between the power source and the torsionally oscillating mass. This energy transfer is periodic at the natural frequency and occurs because the oscillation deviations of the mass are brought about by the periodic exchange between potential and kinetic energy.
- ^ Fig. 1 and 2 show an embodiment of the invention with a shaft A rotating at constant speed, with a non-linear drive device B, which drives shaft C at variable speed from shaft A , with a mass M ₁ rotating with shaft A ( in the housing 13), with a mass M ₂ rotating with the shaft C and with an elastic torsion coupling between the mass M ₂ and the shaft C.

Die Wellen A und C sind in nicht dargestellten reibungsarmen Lagern frei drehbar gelagert. Nach der Darstellung verlaufen die beiden Wellen parallel und gegeneinander versetzt, sie können jedoch auch schräg zueinander angeordnet werden, wenn dies erwünscht ist.The shafts A and C are freely rotatably mounted in low-friction bearings (not shown). According to the illustration, the two shafts run parallel and offset from one another, but they can also be arranged at an angle to one another if this is desired.

Es liegen daher zwei Massen M₁ und M₂ mit einer zwischen diesen angeordneten Torsionskupplung D vor, wobei die Masse M₁ vorzugsweise ein wesentlich größeres Trägheitsmoment aufweist als die Masse M₂. Die_ Masse M₂ führt Drehschwingungen aus, während die Masse M₁ beständig mit konstanter Drehzahl- angetrieben wird.There are therefore two masses M ₁ and M ₂ with a torsion coupling D arranged between them, the mass M ₁ preferably having a significantly greater moment of inertia than the mass M ₂ . The mass M ₂ carries out torsional vibrations, while the mass M _{1 is} constantly driven at a constant speed.

Die nichtlineare Antriebseinrichtung B setzt im vorliegenden Falle die beiden Massen M₁ und M₂ ... ■', nach einer Sinusfunktion miteinander in Beziehung.In the present case, the non-linear drive device B _{relates the two masses M 1} and M ₂ ... ■ ' to one another according to a sine function.

-Dieser Antrieb kann beliebig ausgebildet sein, solange er nur die Geschwindigkeitsbeziehung der Massen M₁ und M₂ in dem Maße zueinander verändert,, _ wie es zum Erregen der Torsionsschwingung erforderlich ist. Die Einrichtung B kann z. B. aus einem Kardangelenk mit ungleichmäßiger Geschwindigkeit bestehen, das über einen Winkel hinweg arbeitet, aus einem impulserzeugenden oder unstetig arbeitenden Antriebsmotor, aus einem nichtkonjugierten Getriebe, aus einem Kettenantrieb mit langen Gliedern oder aus einer An-Ordnung mit einer Kurbel und einer Verbindungsstange. Der Einfachheit halber wurden zwei exzentrisch gelagerte und miteinander kämmende Zahnräder 10 und 11 dargestellt, wobei der Antrieb von der Welle A aus mit kontrollierter konstanter Drehzahl erfolgt, während das Ausgangszahnrad 11 mit wechselnder Drehzahl angetrieben wird, die durch eine Sinuskurye dargestellt werden kann, wie in der F i g. 3 dargestellt. Die Wellet kann von jedem geeigneten Motor 12 angetrieben werden, z. B von einem Federmotor, dessen Gehäuse 13 auf dem Boden verankert ist und der eine mit der Welle A eine Einheit bildende Welle 14 aufweist. In den F i g. 1 und 2 ist die Basis oder der Erdboden bei G dargestellt. Für die Zwecke der Beschreibung wird angenommen, daß die Lager für die Wellet und C in bezug auf den Erdboden oder die Basis ortsfest sind.-This drive can be designed as desired, as long as it only changes the speed relationship of the masses M ₁ and M ₂ to one another to the extent necessary to excite the torsional vibration. The device B can, for. B. consist of a universal joint with uneven speed that works over an angle, a pulse-generating or discontinuous drive motor, a non-conjugate gear, a chain drive with long links or an arrangement with a crank and a connecting rod. For the sake of simplicity, two eccentrically mounted and meshing gears 10 and 11 are shown, with the drive from shaft A taking place at a controlled constant speed, while the output gear 11 is driven at changing speed, which can be represented by a sinusoidal cury, as in FIG the F i g. 3 shown. The shaft can be driven by any suitable motor 12, e.g. B by a spring motor, the housing 13 of which is anchored on the floor and which has a shaft 14 that forms a unit with the shaft A. In the F i g. 1 and 2 the base or the ground at G is shown. For purposes of description, it will be assumed that the bearings for the shaft and C are stationary with respect to the ground or base.

Die Fig. 1,2 und 3 zeigen die federnde oder elastische Torsionskupplung D, die die Massen M₁ und M₂ miteinander elastisch verbindet. Für diesen Zweck kann jede herkömmliche Art von Feder verwendet werden. Im vorliegenden Falle wurde eine Torsionsstabfeder 15 benutzt, die an dem einen Ende mit dem Zahnrad 11 und am anderen Ende mit der Masse M₂ in Form eines Schwungrades 16 verbunden ist. Die Amplitude der Schwingung der Masse M₂ ist dabei eine Funktion der Federkonstante der elastischen Kupplung D, ferner der Amplitudenschwankungen der nichtlinearen Antriebseinrichtung B, der relativen Trägheit der Massen M₁ und M₂, der Drehzahl der Wellet und der Werte der viskosen Dämpfung und/oder Reibung der betreffenden Elemente wie Zahnräder und Lager. _1, ₂ and 3 show the resilient or elastic torsion coupling D, which connects the masses M 1 and M 2 with one another elastically. Any conventional type of spring can be used for this purpose. In the present case, a torsion bar spring 15 was used, which is connected at one end to the gear 11 and at the other end to the mass M ₂ in the form of a flywheel 16. The amplitude of the oscillation of the mass M ₂ is a function of the spring constant of the elastic coupling D, furthermore the amplitude fluctuations of the non-linear drive device B, the relative inertia of the masses M ₁ and M ₂ , the speed of the shaft and the values of the viscous damping and / or friction of the elements involved, such as gears and bearings.

Die vorstehend beschriebenen Elemente wirkenThe elements described above work

miteinander zusammen und regulieren die Drehzahl der Welle A unter Ausnutzung der Wellenenergie wie folgt: Die Masse M, und die torsionselastische Kupplung D wirken zusammen als ein Torsionsschwingungssystem, dessen charakteristische Eigenfrequenz als »natürliche Resonanzfrequenz« bezeichnet wird. Diese natürliche Resonanzfrequenz ist von der Masse M₁ unabhängig, sofern deren Trägheit sehr groß ist. Diese Bedingung wird bei der Beschreibung vorausgesetzt. Es wird weiterhin angenommen, daß die gegenüber der Masse M₂ wesentlich größere Masse M₁ eine unveränderliche Winkelgeschwindigkeit aufweise, obwohl in Wirklichkeit die MaSSeM₁ ebenfalls eine veränderliche Winkelgeschwindigkeit aufweist, die von deren Trägheit in bezug auf die Trägheit der Masse M₂ abhängt. Im vorliegenden Falle, in dem die Trägheit der Masse M₁ viel größer ist als die Trägheit der Masse M₂, sind deren Rückwirkungen auf die Winkelgeschwindigkeit der Masse M₁ sehr klein. Folglich läßt die durch den Motor 12 in Umdrehung versetzte große Masse M₁ die Drehzahl der Welle A stetig zunehmen, während diese die Welle C infolge der Wirkung der nichtlinearen Antriebseinrichtung B mit periodisch verändernder Winkelgeschwindigkeit dreht. Das periodische Schwanken der Winkelgeschwindigkeit der Welle C ist der Winkelgeschwindigkeit der Welle A direkt proportional.together and regulate the speed of the shaft A using the shaft energy as follows: The mass M and the torsionally flexible coupling D work together as a torsional vibration system, the characteristic natural frequency of which is called the "natural resonance frequency". This natural resonance frequency is _{independent of the mass M 1} , provided that its inertia is very large. This condition is assumed in the description. It is further assumed that the opposite of the mass M substantially larger ₂ mass M ₁ comprising a constant angular velocity, even though in reality the Maßem ₁ also has a variable angular velocity, which depends on the inertia in relation to the inertia of the mass m _2. In the present case, in which the inertia of the mass M _{1 is} much greater than the inertia of the mass M ₂ , its repercussions on the angular velocity of the mass M _{1 are} very small. As a result, the large mass M _{1 set} in rotation by the motor 12 causes the speed of the shaft A to increase steadily, while this rotates the shaft C at a periodically changing angular speed as a result of the action of the non-linear drive device B. The periodic fluctuation of the angular velocity of shaft C is directly proportional to the angular velocity of shaft A.

Wenn die Welle A ihre Drehzahl von 0 an erhöht, so steigt zuerst die Amplitude der Schwingung des Schwingsystems langsam und danach stärker an, wenn die periodischen Geschwindigkeitsschwankungen sich der Resonanzfrequenz des Schwingsytems annähern. Bei einem idealen Schwingsystem mit geringster Reibung und geringster viskoser Dämpfung verläuft die charakteristische Kurve für die Amplitude in bezug auf die periodischen Schwankungen der Drehzahl für ein schwingendes Feder-Masse-System in der Nähe der Resonanzfrequenz nahezu senkrecht. Daher bewirken sehr kleine Änderungen der Frequenz, verursacht durch eine fast unbedeutende Änderung der Drehzahl der Welle/i, sehr große Änderungen bei den Amplituden der Schwingungen. Das Drehmoment an der Welle C (dem über die Antriebseinrichtung B die Trägheit der Masse M₁ entgegenwirkt) ist somit der Schwingungsamplitude der Masse M, proportional.When wave A increases its speed from 0, the amplitude of the oscillation of the oscillation system first increases slowly and then more rapidly when the periodic speed fluctuations approach the resonance frequency of the oscillation system. In the case of an ideal oscillating system with the lowest possible friction and the lowest viscous damping, the characteristic curve for the amplitude with respect to the periodic fluctuations in the speed for an oscillating spring-mass system in the vicinity of the resonance frequency is almost perpendicular. Therefore, very small changes in frequency caused by an almost insignificant change in the speed of the shaft / i cause very large changes in the amplitudes of the vibrations. The torque on the shaft C (which is counteracted by the inertia of the mass M ₁ via the drive device B ) is therefore proportional to the oscillation amplitude of the mass M.

Der Energieverlust innerhalb der Antriebseinrichtung B, der sich mit dem Drehmoment an der Welle C (und mit der Amplitude der Schwingung der Masse M₁) verändert, wird als Regulierungsschranke für die Drehzahl des Antriebs verwendet. So entsteht z. B. in der Einrichtung B kein Leistungsverlust, wenn keine Torsionsbelastung vorliegt; bei einer Vergrößerung der Torsionsbelastung steigen jedoch die Energieverluste an. Ein Energieverlust entsteht weiterhin bei einer Beschleunigung und einer Verlangsamung der MasseM₂ mit der Folge, daß in Abhängigkeit von der Schwingungsamplitude der Masse M₂ (in bezug auf die Masse M₁) in der Einrichtung B (an den Zahnrädern 10 und 11) eine Veränderung des Wirkungsgrades erfolgt. Infolgedessen erfolgt eine Erhöhung der Reibung, die der Torsionsbelastung an der Antriebseinrichtung B proportional ist, wodurch eine Drehzahlschranke errichtet wird, die die Schwingungsfunktion nicht durchdringen kann, da jede oberhalb der Eigenschwingungsfrequenz der Masse M₁ liegende überschüssige Energie zum Beschleunigen der Welle A als Reibungsverlust in der Antriebseinrichtung B verbraucht wird.The energy loss within the drive device B, which changes with the torque on the shaft C (and with the amplitude of the oscillation of the mass M ₁ ), is used as a regulation limit for the speed of the drive. So z. B. in device B no loss of power if there is no torsional load; however, if the torsional load increases, the energy losses increase. A loss of energy continues produced during acceleration and deceleration of the Maßem _2, with the result that, depending on the amplitude of vibration of the mass M (with respect to the mass M ₁₎ in the device B (the gears 10 and 11) a variation ₂ the efficiency takes place. As a result, there is an increase in the friction, which is proportional to the torsional load on the drive device B, whereby a speed limit is set up that cannot penetrate the oscillation function, since any excess energy for accelerating the shaft A which is _{above the natural oscillation frequency of the mass M 1} is a friction loss in the drive device B is consumed.

Nachstehend wird die Arbeitsweise und die Einrichtung der besonderen Ausführungsform der Erfindung beschrieben, die in den Zeichnungen dargestellt ist. Nach der F i g. 2 sind die Wellen A und C zufolge der miteinander kämmenden Zahnräder 10 und 11 gegeneinander versetzt. Es ist wichtig, eine bei G dargestellte Verankerung vorzusehen. Die F i g. 3 zeigt in symbolischer Darstellung die rotierende Masse M₂, die durch eine Torsionsfeder mit derThe operation and arrangement of the particular embodiment of the invention illustrated in the drawings will now be described. According to FIG. 2, the shafts A and C are offset from one another as a result of the intermeshing gears 10 and 11. It is important to provide an anchorage as shown at G. The F i g. 3 shows a symbolic representation of the rotating mass M ₂ , which is supported by a torsion spring with the

ίο Einrichtung B verbunden ist, wobei die Sinuswelle die Schwankungen der Geschwindigkeit an der Einrichtung B darstellt.ίο device B is connected, the sine wave representing the fluctuations in speed at device B.

Die F i g. 4 und 5 zeigen die Winkelamplitude der Masse M₀ in bezug auf die Geschwindigkeitsschwankungsfrequenz der Antriebseinrichtung B. Wie bereits aufgeführt, wird als wesentlich angenommen, daß die Masse M₁ eine konstante Winkelgeschwindigkeit aufweist, während die leichtere Masse M₂ Drehschwingungen ausführt. In den F i g. 4 und 5 s'oll die waagerechte Linie die Frequenz der periodischen Schwankungen der Drehgeschwindigkeit der Masse M, ausgedrückt als Phasenbezeichnung der Eigenfrequenz a bedeuten. Bei einer Erhöhung der Drehzahl der Antriebseinrichtung B wird auch die periodische Verän-The F i g. 4 and 5 show the angular amplitude of the mass M ₀ in relation to the speed fluctuation frequency of the drive device B. As already stated, it is assumed to be essential that the mass M _{1 has} a constant angular velocity, while the lighter mass M ₂ executes torsional vibrations. In the F i g. 4 and 5, the horizontal line shall mean the frequency of the periodic fluctuations in the rotational speed of the mass M, expressed as the phase designation of the natural frequency a . With an increase in the speed of the drive device B , the periodic change

"25 derung der Drehgeschwindigkeit erhöht und damit die Schwingungsamplitude der Geschwindigkeitsschwankungen der Masse M₂, da die Amplitude -in steigendem Maße anwächst, wenn eine Annäherung an die Eigenfrequenz des aus der Masse M₂ und der Tor-"25 change in the rotational speed increases and thus the oscillation amplitude of the speed fluctuations of the mass M ₂ , since the amplitude increases to an increasing extent when an approach to the natural frequency of the mass M ₂ and the gate

sionsfeder D bestehenden Schwingsysfems erfolgt. Infolgedessen verläuft die Kurve zuerst mehr oder weniger parallel zur Frequenzlinie und steigt dann scharf an, erreicht bei der Resonanzfrequenz α ihr Maximum und fällt danach in bekannter Weise wieder ab.sionsfeder D existing Schwingsysfems takes place. As a result, the curve initially runs more or less parallel to the frequency line and then rises sharply, reaches its maximum at the resonance frequency α and then drops again in a known manner.

Bei einer Annäherung an die Eigenfrequenz des Torsionsschwingers als Folge einer entsprechenden Erhöhung der Drehzahl der Welle A wird also proportional mehr Energie übertragen, und die Schwingungen von M₂ werden somit stark vergrößert.When the natural frequency of the torsional vibrator is approached as a result of a corresponding increase in the speed of shaft A , proportionally more energy is transmitted, and the vibrations of M ₂ are thus greatly increased.

. In der F i g. 6 sind für die Weile A und die Antriebseinrichtung B über der Abszisse als Zeitachse drei willkürlich gewählte, jedoch jeweils in sich konstante Winkelgeschwindigkeiten K, L undiV dargestellt, die innerhalb des Betriebsbereiches des Verfahrens, und. In FIG. 6, three arbitrarily selected but inherently constant angular velocities K, L and IV are shown for the time A and the drive device B above the abscissa as the time axis, which are within the operating range of the method, and

45. der Einrichtung liegen. Da die Winkelgeschwindigkeit der Antriebseinrichtung B sinusförmig veränderlich ist, wird die Zeitperiode der periodischen Geschwindigkeitsschwankungen, mit steigender Drehzahl von A verkürzt. Die Drehzahl der Antriebseinrichtung B ent* spricht dabei jedoch der von A. 45. of the establishment. Since the angular speed of the drive device B varies sinusoidally, the time period of the periodic speed fluctuations is shortened as the speed of A increases. The speed of the drive device B corresponds to that of A.

In der F i g. 7 wurde die Darstellung für die Winkelgeschwindigkeit der F i g. 6 durch die Darstellung der Winkelgeschwindigkeit von der Masse M₂ ergänzt. Diese Figur zeigt die Bedingung, bei der die Drehzahl K der Welle A konstant ist. Die Winkelgeschwindigkeit von B (Zahnrad 11) ist sinusförmig veränderlich, und die Winkelgeschwindigkeit der Masse M₂ eilt der Geschwindigkeit von B zeitlich nach.In FIG. 7 the representation for the angular velocity of FIG. 6 supplemented by the representation of the angular velocity of the mass M ₂ . This figure shows the condition in which the speed K of the shaft A is constant. The angular velocity of B (gear 11) is variable in a sinusoidal manner, and the angular velocity of mass M ₂ lags behind the velocity of B in time.

Die F i g. 8 entspricht der F i g. 7 bei der höheren Drehzahl L von A. Die Winkelgeschwindigkeit der Masse M₁, ist dabei schon größer geworden.The F i g. 8 corresponds to FIG. 7 at the higher speed L of A. The angular speed of the mass M ₁ has already increased.

Die F i g. 9 entspricht der F i g. 7 für die Winkelgeschwindigkeit N der F i g. 6. In dieser Figur ist der Betriebszustand im Resonanzfall dargestellt, wobei die Phasennacheilung bis zu 90° beträgt, diesen Wert jedoch nicht überschreitet.The F i g. 9 corresponds to FIG. 7 for the angular velocity N of FIG. 6. This figure shows the operating state in the case of resonance, the phase lag being up to 90 °, but not exceeding this value.

Die F i g. 10 und 11 zeigen die Amplituden sowie die Phasenverschiebung der Torsionsschwingungen beiThe F i g. 10 and 11 show the amplitudes as well as the Phase shift of the torsional vibrations at

den Winkelgeschwindigkeiten K und L, wobei berücksichtigt werden muß, daß in Wirklichkeit diese beiden Kurven gegenüber denen in den F i g. 7 und 9 um 90° phasenverschoben sind. Aus diesen beiden graphischen Darstellungen ist zu ersehen, daß die Geschwindigkeit und die Amplitude miteinander in Beziehung stehen und daß die Beschleunigung der Massenschwingungen Plus- und Minuswerte erzeugt, deren Anteil nur dann außerordentlich groß ist, wenn eine sehr starke Annäherung an die Resonanzfrequenz erfolgt. F i g. 12 zeigt die Belastung der Einrichtung B in Abhängigkeit der Amplitude der Torsionsschwingungen der Masse M₀. Diese Belastung, welche eine unterschiedliche Drehmomentbelastung der Antriebseinrichtung darstellt, versucht also, den Antrieb zu hemmen oder zu unterstützen. Eine positive oder eine negative Drehmomentbelastung wirkt sich in einem Getriebe als Übertragungsverlust aus, der weitgehend von dem Wirkungsgrad des Systems abhängt. Da der Leistungsverlust in einem Getriebe eine direkte Funktion der Belastung ist (die F i g. 12 ist zur F i g. 13 umgezeichnet, um zu zeigen, daß der Leistungsverlust ■ immer ein positiver Faktor ist, ganz gleich, ob die Torsionsbelastung plus oder minus ist), so hängt die Neigung der Kurven natürlich von der Überträgungswirksamkeit ab.the angular velocities K and L, whereby it must be taken into account that in reality these two curves compared to those in FIGS. 7 and 9 are 90 ° out of phase. From these two graphs it can be seen that the speed and the amplitude are related to one another and that the acceleration of the mass oscillations produces plus and minus values, the proportion of which is only extraordinarily large when the resonance frequency is very close. F i g. 12 shows the loading of the device B as a function of the amplitude of the torsional vibrations of the mass M ₀ . This load, which represents a different torque load on the drive device, tries to inhibit or support the drive. A positive or negative torque load has the effect of a transmission loss in a transmission, which largely depends on the efficiency of the system. Since the power loss in a transmission is a direct function of the load (FIG. 12 has been redrawn from FIG. 13 to show that the power loss is always a positive factor, regardless of whether the torsional load is plus or minus is), the slope of the curves naturally depends on the transfer efficiency.

Die F i g. 14 schließlich zeigt den Zusammenhang zwischen dem Leistungsverlust nach der F i g. 13 und der in Fig.4 aufgetragenen Schwingungsamplitude der Masse M₂. Auch in diesem Falle sind die willkürlich gewählten Geschwindigkeiten K, L und N eingetragen. Man erkennt den erhöhten Leistungsverlust in der Nähe der Resonanz, wie aus dem steilen, im wesentlichen senkrecht verlaufenden Teil der Kurve in der F i g. 14 zu ersehen ist. Es ist dieser immer größer werdende Leistungsverlust, der die Grenze festsetzt, die die Winkelgeschwindigkeit an der oder nahe an der 90°-Phasenlage und notwendigerweise in zeitbestimmter Beziehung zur natürlichen Schwingungsfrequenz der Masse M., kontrolliert.The F i g. 14 finally shows the relationship between the power loss according to FIG. 13 and the vibration amplitude of the mass M ₂ plotted in FIG. In this case, too, the arbitrarily selected speeds K, L and N are entered. One recognizes the increased power loss in the vicinity of the resonance, as can be seen from the steep, essentially perpendicular part of the curve in FIG. 14 can be seen. It is this ever increasing power loss that sets the limit that controls the angular velocity at or near the 90 ° phase position and necessarily in a time-determined relationship to the natural oscillation frequency of the mass M.

Aus dem Vorstehenden ist zu ersehen, daß die Torsionsbelastung innerhalb eines weiten Bereiches schwanken kann, ohne die Winkelgeschwindigkeit der Welle A längs des im wesentlichen senkrecht verlaufenden Teiles der Amplitudenkurve der Phasenschwingungen in der Fig. 4 (auch nach der Fig. 14) wesentlich zu ändern. Daher besteht eine weitere Verbesserung der Einrichtung nach der Erfindung darin, den Unterschied zwischen den Massen M₁ und M₉ auszunutzen. In den Fig. 15 und 16 sind für die Zwecke der Beschreibung die sich geradlinig bewegenden Massen M₁ und M₂ dargestellt sowie auch inFrom the above it can be seen that the torsional load can fluctuate within a wide range without significantly changing the angular velocity of the shaft A along the essentially perpendicular part of the amplitude curve of the phase oscillations in FIG. 4 (also according to FIG. 14) . Therefore, a further improvement of the device according to the invention consists in making use of the difference between the masses M ₁ and M ₉ . In FIGS. 15 and 16, for the purposes of description, the masses M ₁ and M ₂ moving in a straight line are shown as well as in FIG

jedem Falle die Schwingungsknotenpunkte zwischen den Massen. Die in der Fig. 15 dargestellten Massen M₁ und M₂ sind frei bewegbar, während nach der Fig. 16 die Masse M₁ mit einer Basis G reibend imin each case the nodes of vibration between the masses. _{The masses M 1} and M ₂ shown in FIG. 15 are freely movable, while according to FIG. 16 the mass M ₁ with a base G rubbing in the

Eingriff steht (gleichwertig dem oben angeführten Leistungsverlust). Die Fig. 15 und 16 entsprechen einander und zeigen, daß der Schwingungsknotenpunkt verschoben ist. Diese Verschiebung hängt von dem Leistungsverlust ab und ändert die Schwingungsmerkmale der elastischen Kupplung D und der Masse M₁ und damit die Grundfrequenz der schwingenden MasseM₂. In der Fig. 17 ist eine solche Änderung der Eigenfrequenz der Masse M₂ infolge des an der Basis G od. dgl. absorbierten Leistungsverlustes dargestellt. Wie zu ersehen ist, erfolgt bei einer Vergrößerung des Leistungsverlustes eine Änderung der Eigenfrequenz der MasseM₂. Der wirksame Teil der Kurve wird daher verschoben mit der Folge, daß die in der Fig. 14._dargestellte Leistungsverlustkurve nahezuIntervention is in place (equivalent to the loss of performance listed above). FIGS. 15 and 16 correspond to one another and show that the node is shifted. This shift depends on the power loss and changes the vibration characteristics of the flexible coupling D and the mass M ₁ and thus the fundamental frequency of the vibrating _{mass M 2} . FIG. 17 shows such a change in the natural frequency of the mass M ₂ as a result of the power loss absorbed at the base G or the like. As can be seen, when the power loss increases, there is a change in the natural frequency of the mass M ₂ . The effective part of the curve is therefore shifted with the result that the power loss curve shown in FIG

ao senkrecht verläuft, wie in der Fig. 17 mit unterbrochenen Linien (teilweise) dargestellt ist. Dieser Effekt ist eine Funktion der Beziehung der betreffenden Massen und der Wirksamkeit der Kupplung und ist in den Fragmenten der gestrichelt gezeichnetenao runs vertically, as in Fig. 17 with interrupted Lines (partially) shown. This effect is a function of the relationship between the two Masses and the effectiveness of the coupling and is shown in the fragments of the dashed lines

Kurven für zwei Schwingungsamplitude'n und für eine gegebene Gruppe von Parametern dargestellt.Curves for two oscillation amplitudes and for a given group of parameters are shown.

Die Einrichtung nach der Erfindung'lst besonders gut geeignet für eine drehstabilisierte Umgebung. Da die in Betracht kommenden Massen kreisrund sind und da es sich nicht um sich radial bewegende oder schwingende Massen handelt, auf die die Fliehkraft einwirkt, so hat die Drehung keine Wirkung. Einige der Parameter der Geschwindigkeitsregulierung wurden untersucht und zueinander in Beziehung gesetzt, wie in der F i g. 18 dargestellt. Die Verwendung einer verhältnismäßig leichten Aluminiummasse M₀ ergab die Linie 20 der U/min in bezug auf die Zeit. Die Linie 21, die die U/min in bezug auf die Zeit zeigt, ist das Ergebnis von gleich ausgestalteten Teilen unter Verwendung einer schwereren Stahlmasse M₂, wobei die regulierte Drehzahl langsamer ist und mit den Grundprinzipien der Beziehung zu der Eigenfrequenz einer Masse, die unter der Einwirkung einer Feder steht, übereinstimmt. Die Linie 22 zeigt die U/min-Kurve des Federmotors 12 bei Verwendung einer starren Kupplung zwischen den beiden Massen M₁ und M₂, wobei die eine Masse sich an der Eingangswelle "A befindet, während die andere Masse mit der Ausgangswelle C über eine torsionsmäßig starre Kupplung D verbunden ist. Diese Linie 22 stellt die »freie« Geschwindigkeit oder Drehzahl dar ohne die regulierende Wirkung der Erfindung.The device according to the invention is particularly well suited for a rotation-stabilized environment. Since the masses in question are circular and since they are not radially moving or oscillating masses on which the centrifugal force acts, the rotation has no effect. Some of the parameters of the speed regulation were examined and related to one another as shown in FIG. 18 shown. The use of a relatively light mass of aluminum M ₀ gave the line 20 of the rpm with respect to time. The line 21, which shows the rpm in relation to time, is the result of identically designed parts using a heavier steel mass M ₂ , the regulated speed being slower and with the basic principles of the relationship to the natural frequency of a mass, which is under the action of a spring, coincides. The line 22 shows the rpm curve of the spring motor 12 when a rigid coupling is used between the two masses M ₁ and M ₂ , one mass being on the input shaft "A , while the other mass is connected to the output shaft C via a torsionally rigid coupling D. This line 22 represents the "free" speed or rotational speed without the regulating effect of the invention.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

209 540/325209 540/325

Claims

Patent claims:

1. A device for time measurement and clocking with a drive and a mechanical oscillator that interacts with this to maintain the angular torque of the drive shaft in such a way that the latter opposes a larger drive torque with a greater resistance and a smaller drive torque with a smaller resistance by inserting a between the drive shaft and the oscillator non-linear drive means or coupling element is switched on, which drives the rotating mechanical oscillator with sinusoidally changing angular speed, so that at the drive speed corresponding to its resonance frequency, the oscillator and drive are synchronously connected and the speed of the drive is controlled by the oscillations of the oscillator, characterized in that that the oscillator is designed as a torsional oscillator in that a mass (M,) is connected to the output side of the non-linear drive (B) via a torsionally flexible coupling (D), and there ß with whose uniformly rotating input side another mass (M ₁ ) is firmly connected.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the first: mass with constant Speed is rotatable and that a device with low hysteresis is provided which the both masses rotatably carries.

3. Device according to one of claims 1 and 2, characterized in that the drive device comprises a gear train which rotates the second mass from the first mass offset and a periodically changing ratio of input speed to Having output speed.

. 4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the gear transmission with each other has meshing gears whose pitch circle radius can be changed.

5. Apparatus according to claim 1, characterized in that the first mass has a substantial has greater inertia than the second mass.

6. Apparatus according to claim 1, characterized in that the torsionally elastic coupling consists of a torsion-elastic rod.

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