DE2157523A1 - Kreiselgerät mit Strömungsmedium-Lagerung - Google Patents

Description

Patentanwalt·
Dipl. Ing. C Wallach Il

Ύ !"S?:¹^ '* 501 Fk/r

Dr. T. Hciibach

8 München 2 KMtflngeratr. 8, Tel. 24 02 75

Sparry Raad Corporation, Hew York

Kreiselgerät mit

Bi-s vorliegend«* Srfiadimg besiebt sish aligoaoiaa ata Kreiselgeräte and insbesondere auf ¥£sik Kreiselmeßgeräte mit lagerfreieci Rotor ssair-Messung der Winkelgeacliwindigfceiten %"os Fahrzeuges um zwei orthogonal®

Das Winkelgeschwindigkeitta
liegenden Erfindung ist von der ArS₀ bsi der ein drehbares Elam&nt reibuii^slos ralt vollständiger F^siaalfe am alle Achsen in slnsin ge schloss eis en K&älrawiB mxb HiICa der hydrodynamischen Kraft eines Sfcr8mtiagsBiadis2EQc₃ wi-2 3» B, Luft odar ainem änderst! Gas _s gsI&^Q^t l©t_e das -äisysl die Drehung das fioiora Eilt hch^x «SsöeSiöiadiglisit ia slsa Bewegung versei.¹? fc Is, b,

ubllcha kardanringgelagör £e D
Kreiseigeräte weisen den Nachhall einer as©»hanisei»«η I6& plisiertheit, ain«s Rotor-Ungiäichgewichtaa uis eise er« zwungene Dreifaches j. einer Rsibung in den rungen, eines Fehlabgisj chs steshaniecher und elektrisches?

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Bauteil·, τοπ Beschleunigung»Wirkungen auf die Kardanringaufhängung, Empfindlichkeit auf Temperatur-Änderungen und Abnutsung usw. auf, wobei alle diese Nachteile die Schwel1-verteapfindliehkeit de· Kreisels, die Linearität «eines Ausgangs, seine Nullβteilung» «eine Hystereseeigenachaften und seine Lebensdauer ungünstig beeinflussen.

Oasgelagerte Kreiselrotoren wurden bereits vorgeeehia» g«n_s doch ersetsen bei vielen Konstruktionen die Gaslafj®«» runden lediglich die Kugel!«gerungen de· Rotors und/oder die Kugel- oder Steinlagerungen des Kardanring«», die einige der oben erwähnten Wirkungen verringern, andere j doch nicht beeinflussen.

Außerdem wurden sogenannte Kreisel" alt lagerfreieaa Rotor oder kardanringlose Kreisel vorgeschlagen, wobei · ne Art hiervon «in gas- oder flüssigkeitsgeiagertes οαηρ·*> findllches Eleaent uefaßt, das sieh alt den Lagergehäuse dreht» und wobei der Rotos* bei ®ίη®τ mndmrmi Art eins »o xihmnimcii universelle Einrichtung ist? die auf aim»» End® einer H&iterungswelle gelagert ist» AiIa diese tionen weisen viele der oben ermähnten und Nachteile auf und sind- mechanisch äu&erst und damit sehr kostspielig. Geschwindi

tungen mit lagerfreiem gasfedergelagerteiB Rotor, b*± dmnmz das Gas als Feder wirkt und di« in eanchar Hinsicht deß erfindungsgensKßen Kreisel ähnlich sind, wurden bereue beispielsweise in dem US-Patent 2 321 339 vorgeachiage^^ diese Ausführung ist jedoch nicht zwecka&ßlg, weil si* ein« äußere Gasdruck-Erzeugung erfordert, und »war nicht nur für die Drehung des Rotors, sondern außerdem «ur

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Beugung der Aufhängung d·· Rotor· durch in dl· Atmosphäre auaatrottendes Gas, Bei dieser Anordnung können die Kreiael« geschwindigkeit und die "Feder"-Konstanten nicht optimal eingestellt oder in einfacher Weise aufrechterhalten werden. Weiterhin beschränkt ihre scheibenförmige oder ringförmige Konstruktion in schwerwiegender Weise das Verhältnis der axialen zur Winkelsteifigkeit (axial to angular •tiffess ratio) bis zu einem Punkt, an dem die Empfindlichkeit auf Winkelgeschwindigkeiten des für hochgenaue Wlnkelgeschwirdigkeitssysteme unzweckmäßig macht. Die komplizierte Gas-/Oberflächen-Grenzschicht des Kreisels vergrößert die Herstellungskosten sehr stark. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Konstruktion besteht darin, daß es nicht möglich ist, von außen ein Drehmoment für Befehls- odjtr Eigentest-Zwecke auszuüben.

Das erfindungsgemäße Kreiselgerät in Form einer Drehgeschwindigkeits-Meßeinrichtung überwindet und verringert die oben genannten Nachteile bekannter Konstruktionen· Die Einfachheit der erfindungsgemaßen Vorrichtung in bezug auf die mechanisch* und elektrische Konstruktion vergrößert die Zuverlässigkeit sehr stark und verringert die Kosten.

Ein erfindungsgemäßes Kreiselgerät in Form einer Dreh« geschwind! gker.ts-Meßeinrlchtung umfaßt einen scheibenför· migen Rotor mit ebenen kreisförmigen Endwandoberflächen und mit einer äußeren zylindrischen Verbindungs-Umfangsoberflache, ein Gehäuse mit einem abgedichteten inneren Hohlraum, dessen wirksame Innenwand-Oberflächen mit den äußeren Wandoberflächen des Rotors übereinstimmen, jedoch größere Gesamtabmessungen aufveieen, βο daß der Rotor frei

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in den Hohlrau« aufgenommen wird, ein in dem zwischen den Rotor und de« Hohlraum definierten Zwischenraum enthaltenes und diesen vollständig füllendes Strömungsmedium, Motorvorrichtungen zur Drehung dee Rotors um seine iSyemetrieachse und zur gleichzeitigen Erzeugung hydrodynamischer Druckkräfte zwischen den Hohlraum- und Rotorwanden, wodurch der Rotor im Betrieb innerhalb das Hohlraumes mit beschränkter Freiheit für eine Iransla-tiane- und Drehbewegung gelagert ist, und Vorrichtungen in der Grenzschicht zwischen den entsprechenden kreisförmigen «ebenen W&ndoberflMchen des Rotors und des Hohlraumes zur Vergrößerung des hydrodynamischen Druckes an der Svmiaetrle&chse relativ zu den am Umfangebereich der Grenzschicht, wodurch sich «in relativ hohes Verhältnis der hydrodynamischen Axial-/ Winkel-Steifigkeit des Rotors gegenüber äußeren axial»n und Winkel-Kräften ergibt, die auf das Gehäuse wirken»

Das Gehäuse schließt vorzugsweise den Stator eines Hysterese-Antrlebamotore für den Rotor ein, wobei die äußere Umfangsfläche des Rotors den sättigbaren Teil des Motor-Rotors bildet* Die Anordnung ist derart, daß der Rotor mit hoher Drehzahl um seine Symmetrieachse innerhalb des Hohlraumes angetrieben wird, wodurch eine hydrodynamische Kraft erzeugt wird, die den Rotor schwimmend . lagert und ihn eine vollständige Winkel- und Translationsfreiheit der Bewegung gibt. Dta Gehäuse kann beispielsweise ein gerade Zylinder sein, wobei die Symmetrieachse des Rotor-Hohlraumes und des Rotora im allgemeinen mit der Symmetrieachse des Gehäuses übereinstimmen. Diese Achse wird als Drehachse bezeichnet. 2wei zueinander rechtwinklige Achsen unter rechten ir ink j In zur Symmetrieachse

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BAD ORfQfNAL

bilden dl· Eingange-/Au9gange-Achse der Meßeinrichtung und werden im folgenden ale χ-Ache β und y~Acb.ee bezeichnet, wobei jede dieser Achsen sowohl eine Eingange- ale auch eine Auagangaachse let. Da das Gassystea vollständig abgeschlossen ist, können die Gasfeder-Paraaeter bei der Herstellung genau ausgebildet und danach aufrechterhalten werden« Diese Parameter sind in der Praxis Federkonstanten, die auf die stabilen Eigenschaften das Gaaea sowie auf die Hohlraumparameter «uriickzuführen sind.

Bei dieser Ausbildung liefert der hydrodynamisch® Gasdruck sech« primäre Zwangskräfte, und zwar drei Translations- und drei Vinkel-Zwangskrfifte_t die alle auf die oben genannten drei Primärachsen bezogen sind, wobei erfindungsgemäß die mechanische Konstruktion der Rotor-/Gas-/ Hohlraum-Vand-Grenzschicht diese Zwangskräfte bestimmt und steuert. Die ttußere Unfangsfläche des scheibenförmigen Rotors und die entsprechende Hohlraumwand liefern eine sehr hohe Zwangekraft gegen Tc-axislatirmsbewegungsß des sich drehenden Rotors entlang der x- und y-Achseno Bis dritte Translatione-Zwangekrai't, d. b._t entlang der Dr®2iachse, ist außerdem sehr hoch und voll ständig stabil. Diese Zwangskraft ist kritisch und wird durch die Einrichtungen erzeugt; die durch eine Formgebung der entgegengesetzten ebenen kreisfönnigeii Oberflächen der Hohlraum-Seit enwände realisiert worden können, uot ein gewünscht tee Druckprofi 1 länge dos Dme tune».lörs deo Rotors au ersaugen, d. h. einen hohen Druck an dar Achse, der ziemlich stark in Richtung auf den Umfing Jas Rotors abnimmt. Diese Formgebung kann die Fora von flach«a spiralfarmigen

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BAD ORiQiNAL

Nuten oder von spiralförmigen aufgerauhten Oberflachen haben, die sich Ih allgemeinen radial von de« !Anfang eines imaginären Kreises erstrecken, dessen Mittelpunkt auf der Drehachse liegt» Die Formgebung der Spiralen wird sehr sorgfältig gesteuert, da sie zur Erzeugung der ersten und zweiten oben genannten Winkel-Zwangakräfte, näelich der Wirbelbewegungen um die x- und y-Achse wesentlich sind. Diese winkelfDrmigen Zwfengekr&fte sind für die Eigenschaf-B| ten des Kreisels kritisch und .-sind sehr niedrig verglichen mit den axialen Translations-Zwangskräften, wobei es »in Ziel der vorliegenden Erfindung isfc_f das Verhältnis »«riechen den Axial- zu den Winkelkraft ti η dieser Zwangskrlfte möglichst groß zu machen und es suf dieser Höhe zu heLten. Die dritte winkelförmige Zwangjkraft, d. h« um die Drehachse» kann aufgrund der Konstruktionstmordnung niedrig gemacht werden, da sie eine Bremsung dor Drehung des Rotors um die Drehachse bewirkt. Der ilasfoderbezug ist reibungslos und trägt zu den hysteresefreien Eigenschaften des Kreisels dadurch bei, daß sr auf die um die Eingaagsachsen ausgeführten Vinkelgeech.windlgksit.oii anspricht«

™ Der einsttickige Rotor kana außerdem dan Anker für

elektrische Abnehmer bilden, die zu den gemessenen Ge-* schwindigkeitsn um die x- und y-Acfaaer proportionale Ausgänge liefern. Diese Abnehmer oder Signalwandler können von der Mehrplufcten-Hochfrequimfckapazi täi^j-Art sein und umfassen erste und zweite Paare von Konden»atorplai:ten_$ wobei jedes Paar mit einem gleichmfidig-en radialen Ab« band entlang der x- und y-Achuen einer Hohlraurawand an jeder Seite der Drehachse angeordnet is»t_f und wobei diese Aufnehmer geeignete elektronische SnhMlfcungen zur Umwandlung

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¹' BAD ORIGINAL

der differentiollen Kapazitätsänderungen aufgrund der WIn kelverschiebung der Rotor-Drehachse relativ zu den Hohl- rattawänden In für Steuerzwecke brauchbare Signale aufweisen.

Der elnstUcklge Rotor kann weiterhin einen Anker für elektrische Drohmoraentmotoren bilden, i»it deren Hilfe bewirkt werden kann, daß die Geschwindigkeits-Meßeinrichtung auf «ine Winkelstellung präzediert, die eine Befehlegeschwindigkeit darstellt, was beispielsweise eine Forderung bei Anwendung bei stabilisierten Plattformen ist. Zusätzlich kSnnen die Drehmoment-Motoren iur Erprobung des Kreisels für Eigentest-Zwecke verwendet weiden, was eine förderung für heutige Geschwindigkeits-Meßeinrichtungen ist, die für Steuerstrecke , beispielsweise in der automatischen Stabilisierungeausrüstung für Luftfahrzeuge verwendet werden kann. Die Drehmoment-Motoren können Spulen umfassen, die in der gleichen Ausrichtung wie die Abnehmer-Kondensatorplatten befestigt sind, jedoch auf dor entgegengesetzten Wand dc>s Rotorhohlraumes. Wie es waiter unten erläutert wird, ergibt die Zuführung eines Drehmomentsignals beispielsweise an den v-Achsen-Dreh^omentmotor eine Verschiebung des Rotors auf dieser Achse, wobei diese Verschiebung einer Geschwindigkeit&exn£'ein£ um die x-Achne darstellt oder simuliert·

Somit ist das erfindungsgem&ße Kreiselgerät in Form einer Geschwindtigkeits-Meöeinrichfcung in der Hinsicht neuartig, daß das einzige dynamische Element, das heißt der Rotor, eine einzige· bearbeitete und geläpptes Scheibe umfassen kann, die die allgemeine Form einer Scheibe mit geringer Dicke aufweist, und der als Motoranker, Drehmoment-

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BAD ORIGINAL

und Abnehmer-Anker wirkt und Gaslagerungsoberflächen »ur hydrodynamischen und damit reibungslosen Lagerung de· Rotor· in «inen entsprechend geformten Gehausehohlraum aufweist, wodurch das Verhältnis der axialen zu den winkelförmigen Zwangekräften sehr groß und Kreuzkopplungswirkungen sehr klein gemacht werden, so daß sich ein Zweiachaen-Drehgesohwindigkeltskreisel oder eine Zweiachsen-Drehgeschwindigkeit s-Medeinrichtung ohne Hysterese, mit hoher Genauigkeit, hoher Ansprechenpfindlichkeit und langer Lebensdauer ergibt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben •ich aus den UnteransprUchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigent

Fig. 1 eirie Querschnittsaneicht eines AusfUhrungsbeispiels der «rfindungsgemäßen Meßeinrichtung;

Fig. 2 ein. Diagramm, das die Rotor-/Hohlraum-/Oas-

Druckgrenzschicht der Meßeinrichtung nach Fig. zeigt.

In Flg. 1 umfaßt die Drehgeschwindigkeits-Meßeinrichtung ein Trägheitselement oder einen Rotor 10, der aus einer einzigen oder einstUcklgen Scheibe, vorzugsweise aus

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Hysterese-Rotorstahl besteht, die allgemein in der Fora eines üblichen Schach- oder DamespielstUckes geformt ist und auf allen Seiten oder Oberflächen glattgeiäppt ist· Der Rotor ist in einem entsprechend geformten Hohlraum in einem zylindrischen Gehäuse 12 enthalten, das allgemein aus «wei Endteilen 13 und 14 besteht. Die inneren Hohlraum-Endwttnde sind durch die Endoberflächen 15 und 16 Ton vorspringenden Teilen 17 und 18 der Endteile 13 und Ik definiert, während die kreisförmige Hohlraumseitenwand durch die innere kreisförmige Oberfläche 19 eines laminierten Kernteile 20 eines Stators 21 eines Hystereee-Antriebsmotors 21* definiert let, wobei der Rotor 10 außerdem den Rotor des Motors darstellt. Die Innenoberflachen des Hohlraumes 11 sind ebenfalls glattgeläppt, insbesondere auch die zylindrische Seitenwandoberfläche 19· Statorwicklungen 22 sind in der ringförmigen öffnung 23 angeordnet, die durch die Außenwand« der Endstücke 13 und "\k und der vorspringenden Teile 17 und 18 gebildet sind· Ein Abatandeelement 2k, das genau bearbeitet ist und mit der bearbeiteten Lippe des Endteile 14 zusammenwirkt, dient als Motoretator-Abgleichring, wodurch das elektrische Feld des Stators 21 sehr genau in bezug auf den Hohlraum 11 ausgerichtet werden kann und kein» zur Rotor-Drehachse normale Rotor-Antriebskomponente ergibt. Zusätzlich ist ein Abgleichring 26 vorgesehen, ura so einen genauen Abgleich und eine Einstellung des Abstandes der entgegengesetzten inneren kreisförmigen Endwände des inneren Hohlraumes 11 zu ermöglichen.

Der Zwischenraum zwischen den Innenwänden des Hohl-

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BAD ORIGINAL

räumeβ 11 und der Oberfläche de· Rotors 10 1st mit einen geeigneten Strömungsmedium, wie z. B. einem Gas, das Luft, Stickstoff, Helium sein kann oder mit einer Flüssigkeit bei einem geeigneten Druck gefüllt. Wenn somit der Rotor mit hohen Drehzahlen mit Hilfe des Motors 21* gedreht wird, lagert das Gas aufgrund der hydrodynamischen ICrKfte den Rotor 10 innerhalb des Hohlraumes 11 mit vollen sechs Freiheitsgraden, und zwar drei Winkel- und drei Translations-Freiheit sgraden. Mit anderen Worten erfüllt das Gas die Funktion des Rotorbefestlgungskardsnringes eines üblichen Kreisels ohne die mechanischen und betrieblichen Nachteile, die oben genannt wurden. Zur gleichen Zeit ergeben die Kompressibilitätseigenschaften des G^see, wie es weiter unten erläutert wird, eine F«der-Zwangskraft sowie eine Dämpfung, die bei einem Drehgesch.windigke.itskreiselfühler erforderlich ist.

Wie es in Fig, 1 gezeigt ist, ainri die* drei Haup-i.-Bezugsachsen für den Kreisel in dem Gehäuse festgelegt,, wobei diese Hauptachsen folgende sind; die Drehachse 5A, die in der dargestellten Anordnung die Symmetrieachse des zylindrischen Gehäuses 12 und des- Hohlraumes 1\ darstellt; die Achse X-X- die rechtwinklig; zur Drehachse steht und in Fig. 1 senkrechi: zur Zeichnungsebene verläuft} und die

Achse Y-Y, die ebenfalls sowohl zur Drehachse SA als tuch

senkrecht
zur Achse X-Xfist; die Achsen X-X und Y-Y stellen sowohl Eingangs- als auch Ausgangsachsen der Meßeinrichtung cder des Fühlers dar, wie es weiter unten erläutart wird.

Im normalen Batrieb werde*} Auegangsdaten, die den Drehgeschwindißkeiiekoaponentex) u:a die Eingang Sachsen des

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Kreisels entsprechen, ait Hilf· von kapazitiven Hochfrequens-Abnehaerelementen und zugeordneten elektronischen Einrichtungen abgeleitet. Zur Messung der Neigung dee Rotor· 10 in den Hohlraum 11 ta die Achse X-X sind zwei Kondeneatorplatten 30 und 31 in der Stirnfläche 15 de· vorspringenden Teile 18 des Endteila Tk befestigt. Diese Platten sind unter einem genau gleichen Abstand von der Drehachse SA in der Richtung der Achse X-X angeordnet. Bs wird eine elektrische Verbindung 32 mit den Platten 30 und 31 hergestellt und zu einer elektronischen Baugruppe 33 herausgeführt, die aus einer Schaltungsplatte 3h besteht, welche an dem Bndteil lh befestigt ist, und gegen die äußere Umgebung durch eine Abdeckung oder eine Endkappe 35 geschützt ist. Auf gleiche Weine sind entsprechende Kondeneatorplatten 36 und 37 (von denen nur eine in dem Schnitt nach Fig. 1 gezeigt ist) vorgesehen, um die Neigung des Rotors 10 um die Adieο Y-Y festzustellen, wobei die Ausgangsverbindungen 38 und 39 (lediglich 38 ist in dem Schnitt nach Fig. 1 gezeigt) in gleicher Weise an die elektronische Baugruppe 33 harauageführt sind. Die anderen Elemente der kapazitiven Abnehmer 50 und 31 umfassen den Rotor 10 und die (re hau ue endwände 15 und 16, wobei das G_as das dielektrische Medium des Kondensators bildet. Bs 1st verständlich, daß andere Formen von Abnehmern ohne Verlassen der allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.

Bei vielen Anwendungen des PrehgeschwindigkeitsfUhlerβ nach der Erfindung kann es erwünscht sein, eine Eingangs-Geschwindigkeits-Befehlsfutiki-ion vorzusehen, und zwar insbesondere in Verbindune snit der Durchführung von

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BAD ORiOtNAL

Tests des Kreisels vor oder während eines Fluges. Dies wird in manchen Fällen als Eigentest-Eigenschaft bezeichnet* Zu diesem Zweck sind elektromagnetische Drehmomenter meuger-Spulen vorgesehen, die in dem dargestellten AusfUhrungsbeispiel Kern- und ¥icklungsanordnungen kO und kl umfassen, die in dem vorspringenden Teil 17 des Endteils 13 angeordnet sind und dl« unter gleichen Abständen von der Drehachse SA in einer zur Y-Y-Acheβ parallelen Richtung angeordnet sind, so dal) sie bei geeigneter Ansteuerung ein Drehmoment um diene Achse erzeugen, um eine Gehäuse-Drehgeschwindigkeit um die Achse Y-Y -zu simulieren. Auf gleiche Welse Bind ent epr sehende Drehmomeatfcrzeuger-Spulen 42 und k3 (in dom Querschnitt nach Fig«. 1 nicht gezeigt) vorgesehen, um Bofehls-Eingangsdrehmomente um die Achse Y-Y zuzuführen, die Gehäusedrehgeschwindigkeit um die Achse¹ X-X simulieren. Die Drehmomenterzeugerelemente 40 - k3 werden mit HiKe einer Klemmplatte kk an ihrem Platz gehe1 ten. Der Betrieb des Fühlers in Abhängigkeit von einem Ei:agangsbefehl übei- die Drehmomenterzeuger wird weiter unten beschrieben.

Entsprechend der grundsätzlichen Lehren der vorliegenden Erfindung liefern die von dem sich drehenden Rotor 10 erzeugten hydrodynamischen Kräfte alle Kreisellagerungs« und Dämpf ungskräfte sowie die Federzwangskräfte, die für einen Drehgeschwindigkeitsfühler erforderlich sind} d. h. sie liefern die Translations- und Winkel-Zwangekräfte, die oben erwähnt wurden. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, diese Kräfte zu optimieren, um eine optimale Empfindlichkeit, Dämpfung und Robustheit zu erzielen.

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Di· Daae-Kl 8 t sehen-förinige Form dee Rotors verringert ia wesentlichen jede Gasdruck-Hemmkraft des Rotors gegen eine Wirbelbewegung um die Drehachse SA und liefert eine im wesentliche reibungsfreie Drehlagerung ua einen Durch« messer_f während die hydrodynamischen Zwangskräfte gegen eine Translationsbewegung des Rotors in dar durch die X-X- und Y-Y-Achser. definierten Ebene sehr hoch sind_f so daß sich eine Lagerung gegen Beschleunigungs- und Stoßbelastungen ergibt. Die Zvangskräfto in bezug auf die verbleibenden Freiheit Sachsen sin 5 durch den im folgenden betriebenen Aufbau optiniiert.

Es ist erwünscht, daß die Translations-Zwangskräfte des Rotors 10 um die Drehachse SA sehr hoch und sehr stabil gemacht werden, so daß oich tatsächlich ein stabiler .Schwenkpunkt in der Nähe des Schnittpunkt-as der Achsen X-X und Y-Y ergibt, um den sich der Rotor frei drehen kann, wobei die letztere Zwangskraft vergleichsweise relativ niedrig ist. Das Verhältnis der letzteren zwei Zwangskräfte, das als das Verhältnis des axialen zur winkelförmigen Federkonstante oder als Steifigkeit»verhäätiiis bezeichnet werden kann, sollte so hoch wie möglich sein. Die Rotor»/ Gas'/Hohlraum-Ausbildung nach der vorliegenden Erfindung ' ergibt eine Optimierung dieses Verhältnisses sowie eine Steuerung des durch das Gas erzeugten Vinkelsteifigkeit.

Wie es aus den Figuren 1 und 2 erkennbar ist, wird die gewünschte Axial-/Winkel-Fader:ewan&skraft durch eine derartige Formung der Endwände 15 und 16 erreicht, daß sich ein Gasdruckprofil über den Durchmesser der Rotorstirnfläche-/Endwand-Spalte ergibt, das ara Mittelpunkt.

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d. h. an der Drehachse SA sehr hoch ist und in Richtung auf.den Rotorumfang abfällt, wie es durch die Druckkurve k9 an der rechten Seite nach Fig. 2 dargestellt ist· Die Endwand-Formgebung umfaßt Stege und Nuten oder Flächen und 51 mit unterschiedlichen Axialprofilen. Dies· Bereiche weisen eine im allgemeinen spiralförmige Ausbildung auf, die von einem ungeformten Bereich nit kleinem Durchmesser in der Nähe der Drehachse augeht und sich in Richtung auf den Umfang der Endwände nach außen erstreckt und vorzugsweise kurz vor diesem Umfang dar Endwände endet. Die tatsächlichen .Abmessungen und dia Steigung cer Spiralform hängt unter anderen; von der normalen Betriebs-Winkelgeschwindigkeit d&e Rotors 10, der Viskosität des Gases und den gewünscht an Axial-Ainkel-Steifigkeitaverhältnis ab. Ee ist verständlich, daß das tatsächlich« Nutenprofil sich fUr jede Anwendung ändern kann und wie ausgeführt ausgewählt wird, um eine maximale Stabilität des Rotors 10 um die Drehachse SA und das gewünschte hohe Axial-ZWinkel-SteifigkeitsverftUltnls i;u erreichen. Weiterhin ist, da dor Kreiselrotor 10 In einer Im wesentlichen reibungsfreien Umgebung arbeitet und olle auf ihn wirkenden Kräfte im wesentlichen "reine^K Xrftfte ohne Reiisur^ sind, der DrehgesohwindigkeitsfUhler frei von Hyster&cewlrkungen.

Nachdem nunmehr der Aufbau des Drehgeschwindlgkeitsftihlers beschrieben wurde, wird im folgenden seine Betriebsweise unter zwei normalen Betriebsbedingungen erläutert, d.h. wenn das Fühlergehäuse einer Drehgeschwindigkeit in einem Trägheitsraum beigpielsweise um dia Y-Y unterworfen wird, sowie wenn ein Befehls-Drehgeschwindigkeitseingang an beispielsweise die Drehmoment erzeugerspul en 40 und 'Il an-

gelegt ist.

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ORIGINAL·

Es sei angenommen, daß der Fühler in einem Luftfahrzeug befestigt ist und daß er eine Drehgeschwindigkeitskomponente im Trägheitsraum um die Y-Y-Achse beispielsweise im Uhrzeigersinn bei Betrachtung von oben auf die Zeichnung nach Fig. 1 ausgesetzt ist. Bei Einleitung der Drehgeschwindigkeit« d.h. einer Kurvenbeschleunigung wird auf Grund der Zusammendrückung des Gases zwischen der Rotorstirnfläche und den Hohlraumendwänden ein Moment erzeugt, das bestrebt ist, in Rotor 10 im Uhrzeigersinn um die Y-Y-Achse zu drehen. Diese Drehung ergibt ein von den Abnehmern 38 und 39 erzeugtes und zur Drehbeschleunigung proportionales Signal. Wenn sich der Rotor in der Richtung des Vektorpfeiles S (Fig. 1) dreht, erzeugt dieses Moment eine Präzession des Rotors 10 im Uhrzeigersinn um die X-X-Achse in der Ebene der Zeichnung. Wenn die Drehgeschwindigkeit konstant wird, bewirkt die Präzession des Rotors 10 um die X-X-Achse ein Gegenuhrzeigersinn-Gasreaktionsmoment, das in der X-X-Achse auftritt. Dieses Reaktlonsmoment bewirkt eine Präzession des Rotors 10 im Uhrzeigersinn im Trägheitsraum um die X-X-Achse, die das Eingangsmoment in der X-X-Achse und die Präzession in der Y-Y-Achse auf Null verringert, wenn die Präzession gleich der Drehgeschwindigkeit des Gehäuses 12 ist. Bei einer konstanten Drehgeschwindigkeit nimmt der Kreiselrotor 10 eine konstante verkantete Stellung in dem Hohlraum 11 um die X-X-Achse an, deren Winkelstellung in der Größe proportional zu der Drehgeschwindigkeit um die Y-Y-Achse ist. Diese Winkelverschiebung wird durch eine differenzielle Kapazitätsänderung der Abnehmerplatten 30 und 31 gemessen und die Elektronikbaugruppe 33 liefert einen Ausgang, dessen Amplitude proportional zur Größe der Drehgeschwindigkeit ist und dessen Phase von der Richtung der Drehgeschwindigkeit um die Y-Y-Achse abhängt. Die gleiche Betriebsweise tritt für Drehgeschwindigkeitskomponenten um die X-X-Achse auf.

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Bel modernen Drehgeschwindigkeits-Fühler-Anwendungen ist es erwünscht, den Fühler für Eigentest-Zwecke auszuführen. So erzeugt ein elektrisches, beispielsweise an die Drehraomenterzeugerspulen 40 und 41 angelegtes Signal in einer derartigen Richtung, daß ein Uhrzeigersinn-Drehmoment um die X-X-Achse bei Betrachtung in Pig. I hervorgerufen wird, in wirksamer Weise ein Gegenuhrzeigersinn-Gaszusammendrükkungsmoment auf dem Rotor 10 in der X-X-Achse, dessen Größe dem angelegten Moment gleich ist und dieses aufhebt, wodurch sich eine Winkelverschiebung des Rotors in der X-X-Achse ergibt, die einem Gehäusedrehgeschwindigkeitseingang um die Achse Y-Y äquivalent ist. Wenn der Kreisel normal arbeitet, wird ein entsprechendes Ausgangs-Drehgeschwindigkeits-Signal von den Abnehmerplatten 30 und 31 geliefert, was diesen normalen Betrieb anzeigt.

Es sei bemerkt, daß, da die anfängliche Reaktion des Kreisels auf ein auf das Luftfahrzeug wirkendes Kurvenmoment eine Kurvenbeschleunigung ist und in einer relativen, hierzu proportionalen Winkelbewegung des Rotors 10 und des '}«- hauses 12 um die Kreisel-Eingangsachse wiedergegeben wird, diese Bewegung ein Signal ergibt, das in den Abnehmern dieser Eingangsachse erzeugt wird und proportional zu diesem Kurvenmoment oder der Winkelbeschleunigung ist, wie es weiter oben beschrieben wurde. Dieses Signal ist mit anderen Worten proportional zur Winkelbeschleunigung, die die Drehgeschwindigkeit erzeugt. Dieses Winkelbeschleunigungssignal kann außerdem für Steuerzwecke verwendet werden. Beispielsweise könnte dieses Drehbeachleunigungssignal bei einem System zur Erhöhung der Stabilität eines Luftfahrzeuges um die Gier- und Längsneigung3achsen des Luftfahrzeuges anstelle des Drehgeschwindigkeitssignals verwendet werden, da es bei diesen Achsen normalerweise er-

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wünscht ist, das konstante Drehgeschwindigkeitsglied abzusperren. Selbstverständlich könnte das normale Drehgeschwindigkeitssignal von dem Abnehmer der Krelselausgangsachse ebenfalls verwendet werden, falls dies notwendig 1st, oder es könnte eine Kombination der Drehbeschleunigungs- und Drehgeschwindigkeitssignale in geeignet gefilterter Form beispielsweise um die Gierachse zur Dämpfung gekuppelten Roll-Elgensehaften des Luftfahrzeuges verwendet werden.

Patentansprüche;

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Claims (2)

19· November 1971 13 501 - Fk/Üe

Patentansprüche :

Kreiselgerät mit Strömungsmedium-Lagerung, insbesondere zur Verwendung als Prehgeschwindigkeits -Fühler, gekennzeichnet durch einen scheibenförmigen Rotor (10) mit ebenen kreisförmigen Endwandoberflächen und einer äußeren zylindrischen Verbindungs-Umfangsoberflache, ein Gehäuse (12) mit einem abgedichteten inneren Hohlraum (11), dessen wirksamen Innenwandoberflächen (15, 16, 19) mit den Außenwandoberflächen des Rotors (10) übereinstimmen, jedoch größere Oesamtabraeesungen aufweisen, so daß der Rotor frei in diesem Hohlraum aufgenommen ist, ein in dem Innenhohlraum-Zwischenraum, der durch den Rotor (10) und den Hohlraum (11) definiert ist, enthaltendes und diesen Zwischenraum vollständig füllendes Strömungsmedium, Motorvorrichtungen (21°) zur Drehung des Rotors (10) um seine Symmetrieachse (SA) zur Erzeugung hydrodynamischer Druckkräfte zwischen den Hohlraum- und Rotorwänden, wobei der Rotor (10) im Betrieb innerhalb des Hohlraumes (11) mit begrenzter Freiheit für eine Translations- und Drehbewegung gelagert ist, und Mittel (50, 55) in der Grenzschicht zwischen den entsprechenden kreisförmigen ebenen Wandoberflächen des Rotors und dem Hohlraum zur Vergrößerung des hydrodynamischen Druckes an der Symmetrieachse gegenüber dem hydrodynamischen Druck am Umfangsberelch der Grenzfläche, so daß sich ein relativ hohes Verhältnis der hydrodynamischen Axial-ZWinkel-Steifigkeit des Rotors (10) gegenüber axialen und Winkelkräften er-

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gibt, die auf daa Gehäuse (12) einwirken.

2. Kreiselgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (50, 51) profilierte, spiralförmige Anordnungen (50) auf einer der ebenen kreisförmigen Wandoberflächen aufweisen, die sich in allgemein radialen Richtungen von der Symmetrieachse (SA) aus erstrecken.

3· Kreiselgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmigen Anordnungen (50) auf den gegenüberliegenden inneren ebenen kreisförmigen Wandoberflächen (15) des Hohlraumes (11) vorgesehen sind.

4. Kreiselgerät nach Anspruch 2 oder 3* dadurch gekennzeichnet, daß sich die spiralförmigen Anordnungen (50) vom Umfang eines imaginären, auf der Symmetrieachse zentrierten Kreises bis zu einem Punkt erstrecken, der einen endlichen Abstand von dem Umfang des Rotors aufweist.

5. Kreiselgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Motorvorrichtungen (21') ein Statorkernelement (20) mit einer zylindrischen Mittelöffnung (19) einschließen, das die zylindrische Innenwand des Hohlraumes (11) darstellt.

6. Kreiselgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch elektrische mehrteilige Abnehmereinrichtungen (30, 31, 38, 39), wobei ein Teil des Abnehmers in einer der ebenen kreisförmigen Wandoberflächen (15) des Hohlraumes (11) gehaltert ist und wobei der Rotor (10) das andere Teil der Abnehmereinriohtungen darstellt.

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7· Kreiselgerät nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine elektrische mehrteilige Drehmoment-Erzeugereinrichtung (40, 41), wobei ein Teil des Drehmoment erz eugers in der anderen ebenen kreisförmigen Wandoberfläche (16) des Bohlraumes (11) angeordnet ist, und wobei der Rotor (10) das andere Teil der Drehmomenterzeuger-Einrichtungen bildet.

8. Kreiselgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Abnehmereinrichtungen erste und zweite Paare von Abnehmerelementen (30, 31, 38, 39) umfassen, die auf der Oberfläche (15) entlang zueinander senkrechter Durchmesser angeordnet -sind, um Winkelbewegungen des Rotors (10) innerhalb des Hohlraumes (11) um zueinander senkrechte Achsen festzustellen, die zur Symmetrieachse (SA) rechtwinklig und zu den Durch-. messern parallel sind, wobei die Winkelbewegungen des Rotors in Abhängigkeit von auf das Gehäuse (12) wirkenden Brehkräften erzeugt werden und wobei der Ausgang des ersten Paares von Abnehmerelementen (30, 31) zur Xfrehbeschleunigung des Gehäuses (12) in Abhängigkeit ύοώ einer Drehkraft und der Ausgang des zweiten Paares von ÄbaeliiB'sreleraenten (38, 39) proportional zur Drehgeschwindigkeit des Gehäuses (12) in Abhängigkeit von der gleichen Drehkraft ist.

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