DE2214524C2 - Kreiselgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kreiselgerät mit einem Gehäuse und einem um eine in Bezug auf das Gehäuse festgelegte Laufachse rotierenden Rotor, der einen Trägheits-Rolorkranz, zwei gegenüberliegende schalenförmige Halterungsteile, die jeweils einen Scheitelbereich und eine Umfangskante aufweisen und mit ihrer Umfangskante an dem Rotorkranz befestigt sind, einen zwischen den Scheitelbereichen der Halterungsteile angeordneten Hohlzylinder, der die Halterungsteile in Axialrichtung voneinander hält, und Lagereinrichtungen an den Scheitelbereichen zur Befestigung des Rotors in dem Gehäuse umfaßt.

Kreiselgeräte sollen einen hohen Drehimpuls des Kreiselrotors bei einem stabilen Gleichgewicht des Rotors und des Rotorgehäuses oder des Rotor-Lagerrahmens um eine Halterungs- oder Kardanring-Schwenkachse aufweisen. Ein hoher Drehimpuls kann durch eine hohe Drehzahl und eine optimale Massenverteilung des Rotors um seine Drehachse erzielt werden, wodurch sich ein hohes Trägheitsmoment ergibt, während eine Stabilität durch eine symmetrische Konstruktion sowohl des Rotors als auch seines Halterungsgehäuses oder seines Lagerrahmens um die Schwenk- oder Neigungsachse erreicht wird.
Es sind Kreiselrotoren in Form von Speichenrädern

ίο bekannt, bei denen die Speichen jedoch relativ stark und damit schwer ausgebildet sein müssen, um ein Verbiegen dieser Speichen und damit eine Verlagerung des Rotors bei Auftreten eines Drehmomentes um eine zur Rotorachse senkrechte Achse zu verhindern. Weiterhin ergeben sich Luftreibungsverluste und das zusätzliche Gewicht der Speichen in der Nähe der Drehachse verringert das Trägheits-ZGewichtsverhältnis. Die Verwendung einer Scheibe anstelle der Speichen beseitigt zwar die Luftreibungsverluste, doch kann das Problem der Verlagerung des Rotors nur unter Inkaufnahme eines zusätzlichen Gewichtes ohne eine Vergrößerung des Trägheits-/Gewichtsverhältnisses erzielt werden. Speichen oder Scheiben aufweisende Rotoren, die Drehmomente um eine zur Rotorachse senkrechte Achse auf die Rotorechse einwandfrei übertragen können, sind in vielen Fällen zu hart und zu steif, um irgendwelche auf den Rotor ausgeübten Axialkräfte aufzunehmen, wodurch bei axialen Beschleunigungen die Rotorlagerungen überlartet und beschädigt werden können.

Es ist weiterhin ein Kreiselgerät bekannt (US-PS 29 69 682), bei dem ein Trägheits-Rotorkranz durch zwei schalenförmige Halterungsteile gehaltert ist, die ihrerseits an einem Hohlzylinder befestigt sind, der mit Hilfe von Lagern in einem Gehäuse gelagert ist. Die schalenförmigen Halterungsteile sind in Axialrichtung des Rotors konkav gekrümmt oder weisen eine konische Form auf, so daß sie bei axialen Belastungen relativ nachgiebig sind, so daß die Gefahr einer Beschädigung der Lager bei axialen Beschleunigungen verringert ist.

Die schalenförmigen Halterungsteile ergeben jedoch eine relativ große Nachgiebigkeit um Achsen senkrecht zur Kreiselrotorachse, so daß sich Verfälschungen der zu messenden Kreiselkräfte ergeben.

Es ist weiterhin ein Kreiselgerät bekannt (US-PS 30 43 147), bei dem der Rotor als Außenrotor ausgebildet ist und aus zwei konvex nach außen gekrümmten Halbschalen besteht. Ein derartiger Rotor überträgt jedoch auftretende Axialbeschleunigungen voll auf die Lager, so daß die Gefahr einer Beschädigung der Lager besteht.

Der Erfingung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kreiselgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das einerseits hohen Axialkräften ohne Beschädigung widerstehen kann und andererseits Kreiselkräfte einwandfrei überträgt.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Kreiselgerät durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kreiselgerätes kann dieses hohe Axialkräfte aufnehmen, ohne daß sich eine Beschädigung der Lager ergibt. Andererseits werden Kreiselkräfte einwandfrei übertragen, so daß sich keine Verfälschung der Messungen ergibt. Dies wird durch die nach außen konvex gekrümmten schalenförmigen Halterungsteile erreicht, die in Tangentialrichtung, d. h. um zur Rotordrehachse senkrechte

Achsen, nicht nachgiebig sind, andererseits jedoch in Axialrichtung ausreichend elastisch sind, um bei hohen \xialbeschleunigungen nachgeben zu können.

Der Rotor weist ein sehr hohes Trägheits-ZGewichtsverhältnis auf, da die Steifigkeit der Halterungsteile durch deren Form und nicht durch deren Materialstärke erzielt wird, so daß die gesamte Masse am Umfang in aen Kränzen konzentriert ist. Im Gegensatz zu teilchenförmigen Rotorkonstruktionen ergibt sich eine Verringerung des Luftreibungswiderstandes, so daß ein Betrieb mit hon; r Drehzahl bei geringer Leistungsaufnahme möglich ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des Kreiselgerätes;

Fig.2 eine bruchstückhafte Darstellung einer abgeänderten Ausführungsform des Kreiselgerätes.

Die in F i g. 1 dargestellte Ausführungsfortw des Kreiselgerätes umfaßt ein Außengehäuse 1, Lagerungen 2 und einen Antriebsmotor 3. Das Gehäuse 1 umgibt und halten einen Rotor 4 und muß entsprechend Präzisions-Drehmomenten, Außendrücken. Umgebungsstößen und Schwingungen widerstehen können. Jede dieser Belastungen erfordert eine Konstruktion mit hoher Festigkeit und hoher struktureller Steifigkeit. Das Gehäuse weist entsprechend Hohlkehlen auf, die eine Vergrößerung der Steifigkeit ergeben. Im einzelnen umfaßt das Gehäuse 1 zwei teilkugelförmige schalenähnliche Teile 5 und 6, die aus Aluminium hergestellt sind. Die Teile 5 und 6 weisen Hohlkehlen 7 zur Vergrößerung der Steifigkeit und zur Verringerung der Beanspruchungen aufgrund des Druckunterschiedes zwischen der Innenseite und der Außenseite des Gehäuses auf. Das Aluminium ergibt außerdem einen hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten und einen hohen Dämpfungskoeffizient zur weitgehenden Verringerung von Schwingungen und akustischen Geräuschpegeln. Jedes Teil 5 oder 6 ist mit einem entsprechenden Außenring 8 und einer inneren Nabe 9 verschweißt. Das Verschweißen kann mit Hilfe des F.lektronenstrahlverfahrens erfolgen, um eine leckdichte Verbindung, ein geringes Verziehen und hohe Schweißwirkungsgrade zu erzielen. Das Gehäuse I sollte aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sein, die ein spanabhebende Bearbeitung, ein Verschweißen und ein künstliches Altern nach dem Schweißen zur Beseitigung von Spannungen und zur Härtung des Materials auf seine volle Festigkeit ermöglicht. Nach dem Altern wird das Gehäuse 1 als gepaarte Anordnung bearbeitet, um eine Konzentrizität der Lagerungsbohrungen und eine Rechtwinkligkeit der Rotordrehachse und der Kardanringachse aufrechtzuerhalten.

Das Gehäuse 1 ergibt ein Gehäuse für einen niedrigen Druck und halten außerdem die Rotordrehlagerungen 2 und hält deren Ausrichtung aufrecht, um so die Betriebslebensdauer der Lagerung zu vergrößern. Das Gehäuse 1 ergibt weiterhin Befestigungsflächen für den bürstenlosen Gleichstrom-Rotordrehmotor 3 und die Überwachungseinrichtungen für Drehzahlaufnehmer, Lagerungstemperaturen, Lagerungsschwingungen, Innendruck usw. (insgesamt mit 3' in F i g. 1 bezeichnet).

Der Rotor 4. der den Hauptbestandteil des Kreiselgerätes darstellt, ist eine Bimetallkonstruktion mit einem Stahl-Rotorkranz 10, der durch eine Aluminium-Scheiben- und Wellenanordnung mit geringem Gewicht gehaltert ist. Die Rotorkonstrukion ist so ausgelegt, daß sie die folgenden Eigenschaften aufweist:

Großes Trägheits-ZGewichtsverhaltnis, hohe Rotorsteifigkeit. Konstruktion mit hoher Festigkeit und hohe Gleichgewichtsstabilität. Das große Trägheits-/Gewichtsverhältnis wird durch Verteilung der maximalen Massenmenge in Richtung auf den Umfang des Rotors 4 erreicht. Der Stahl-Rotorkranz 10 dient als Umfangsmasse und liefert die gewünschte große Trägheit. In Fig. 1 ist der Stahl-Rotorkranz 10 auf einen Aluminiumkranz 11 aufgeschrumpft und ist daduich an seinem Platz gesichert.daß eine Lippe 12 um die Stahlkranzkante 13geschmiedetist. Dieser Preßsitzdientdazu.eine Druckbeanspruchung auf den Aluminiumkranz 11 bei fehlender Drehung auszuüben, so daß die Einheit bei einer höheren Enddrehzahl ohne nachzugeben drehen kann.

Der Aluminiumkranz 11 ist mit beiden schalenförmigen Halterungsteilen 14, 15 verschweißt, die den Kranz 11 um die Drehachse anordnen. Die Halterungsteile 14 und 15 sind aus Aluminium hergestellt, so daß das Gewicht des Materials an den kleineren Durchmessern gering ist. Die hohe Rotorsteifigkeit wird durch die starre, durch die Halterungsteile 14, 15 gebildete Konsiruktion erreicht. Die einen hohlen Aluminiumzylinder 16 und zwei an den jeweiligen Enden des Zylinders 16 befestigte Aluminiumnaben 17, 18 umfassende Wellenanordnung ist zwischen den Mittelabschnitten der Halterungsteile 14 und 15 angeordnet und an diesen befestigt. Die weit getrennten Befestigungspunkte der Halterungsteile 14 und 15 mit der Wellenanordnung ergeben eine hohe strukturelle Starrheit. Eine Stahlwelle 20 ist

jo mit der Nabe 17 verschraubt, während eine Stahlwelle 21 mit der Nabe 18 verschraubt ist, wobei die Stahlwellen in Lagerungen 2 gelagert sind. Diese Wellenanordnung wirkt als steife Säule, die einen beträchtlichen Widerstand gegen Biegemomente ergibt. Die starre Säule überführt Drehmomentbelastungen in in der Ebene liegende Belastungen auf die Halterungsteile 14 und 15, worin diese ihren größten Vorteil aufweisen.

F i g. 2 zeigt eine Abänderung des Rotors nach Fig. 1. Der Stahl-Rotorkranz 10' ist direkt mit den Halterungs-

4» teilen in Form von Stahlschalen 14' und 15' verschweißt. Jede der Schalen 14' oder 15' ist mit einer entsprechenden Slahlnabe, wie z. B. die zapfengelagerte Nabe 18' verschweißt. Die Naben 18' sind mit einem hohlen Stahlzylinder 16' verschweißt und durch diesen getrennt. Die Naben 18' können jew -ils eine in den Lagerungen 2' gelagerte Welle einschließen oder eine Welle kann mit den Naben verschraubt sein, wie es in F i g. 1 gezeigt ist. Der Vorteil dieser Konstruktion gegenüber der Bimetallkonstruktion besteht in der höheren Trägheit und Drehzahl für Einheilen mit vergleichbarer Größe. Wenn das Trägheits-/Gewichtsvehältnis kritisch ist. ist die Bimetallkonstruktion überlegen. Somit hängt die Wahl der verwendeten Einheit davon ab, welche Kriterien ausschlaggebend sind.

Eine hohe Festigkeit ergibt sich für die beschriebene Konstruktion durch Verschweißen mit Hilfe des Elektronenstrahl-Schweißverfahrens. Alle Verbindungen sind Stumpfschweißverbindungen mit ausreichendem Deckmaterial, um ein Durchbrennen zu verhindern.

Dies trägt zur Verringerung von Spalten bei, wodurch sich bessere Verschweißungen und ein geringes Verziehen aufgrund von Schrumpfungen ergibt. Nach dem Allern entsprechen die physikalischen Eigenschaften der Schweißstelle im wesentlichen denen des verschweißten

b5 Materials.

Das in den F i g. 1 und 2 gezeigte Kreiselgerät ist um die Rotor-Drehachse symmetrisch und weist eine gleichförmige Konstruktion auf. wodurch sich gut vcr-

teilte Belastungen ergeben. Somit kann jedes Verziehen oder eine Beanspruchungskonzenlration, die aufgrund von Inhomogenitäten der Halterungsanordnung entstehen könnte, vermieden werden. Da die größte Masse des Rotors 4 oder 4' am Rotorumfang konzentriert ist, kann das Material so ausgewählt und ausgelegt werden, daß es die größte Zentrifugalbelastung aushält. Im Beirieb ist der Stahlkranz IO tatsächlich selbsttragend, da keine der von ihm ausgeübten Zentrifugalbelastungcn durch die Halterungsteile 14 und 15 getragen wird. Tatsächlich richten die Halterlingsteile 14 und 15 den Rotor 4 im Falle einer präzisions-drehmoinentfreien Drehung des Rotors nur in bezug auf die Wellenanordnung aus. Im Betrieb mit einem Drehmoment wirken die Halterungsteile 14 und 15 jedoch zusammen und übertragen die Kräne zwischen dem Stahikranz iO und der Wellenanordnung. Somit müssen die Halterungsteile 14, 15 ausreichend steif sein, um dieses Zusammenwirken zu ermöglichen. Die Konstruktion der gekrümmten schalenförmigen Halterungsteile an den Befestigungspunkten ist derart, daß die Drehmomentenkraft im wesentlichen in der Ebene der Halterungsteile an den Befestigungspunkten wirksam ist. Somit steht eine erhebliche Festigkeit und Steifigkeit zur Übertragung dieser Kräfte zur Verfügung.

Bei Auftreten von Axialschwingungen kann die Axialkraft die Lagerungen 2 verformen, wenn die Kraft nicht unter einen kritischen Wert begrenzt wird. Üblicherweise kann die Größe der Kraft selbst nicht verringert werden, da diese Kraft lediglich während des Abhebens des Raumfahrzeuges vor dem Einbringen des Kreiselgerätes in den Raum auftritt. Bei Berücksichtigung dieser Beschränkung zur Steuerung der Kraft müßte die Konstruktion des Rotors 4 so sein, daß jede Beschädigung der Lagerungen 2 verhindert wird. Die Gestalt der Halterungsteile 14 und 15 ist derart.daß eine axiale, im Sinne des Hervorrufens einer relativen Axialverschiebung zwischen dem Kranz 10 und der Wellenanordnung wirkende Kraft eine Biegung jedes Halterungsteils in der Nähe des Befestigungspunktes mit der Wellenanordnung bewirkt. Der Entwurf der Halterungsteile ist weiterhin so ausgelegt, daß sie eine Biegung für irgendeine Axialkraft ermöglichen, die etwas kleiner ist als die Axialkraft, die Schaden an den Lagerungen 2 hervorruft. Unter Berück- ' sichtigung der Tatsache, daß Aluminium einen relativ niedrigen Elastizitätskoeffizienten aufweist, ist lediglich eine geringe Biegung zulässig. Für den Fall von diese Begrenzung übersteigenden Axialkräften muß eine andere Vorrichtung verwendet werden, um Schäden an der Lagerungsanordnung zu verhindern. In Fig. 2 gezeigte Anschläge 19 ermöglichen es, daß der Kranz 10' sich in Axialrichtung innerhalb der durch die Biegegrenzen definierten Toleranzen bewegt Wenn diese Grenzen überschritten werden, berührt der Kranz 10' den Anschlag 19. Die Axialkräfte wirken im Sinne einer axialen Verlagerung des Kranzes 10' und die Wellenanordnung kann die Lagerungen 2 nicht beschädigen, da die maximale axiale Verlagerung somit begrenzt ist

Bei den beschriebenen Ausführungsformen waren die Halterungsteile aus Aluminium oder Stahl hergestellt In manchen Fällen und in Abhängigkeit von der Größe des Rotors, vom Gewicht usw. können auch unbekannte synthetische Kunststoffmaterialen oder Glasfasermaterialien verwendet werden.

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Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kreiselgerät mit einem Gehäuse und einem um eine in Bezug auf das Gehäuse festgelegte Laufachse rotierenden Rotor, der einen Trägheits-Rotorkranz, zwei gegenüberliegende schalenförmige Halterungsteile, die jeweils einen Scheitelbereich und eine Umfangskante aufweisen und mit ihrer Umfangskante an dem Rotorkranz befestigt sind, einen zwischen den Scheitelbereichen der Halterungsteile angeordneten Hohlzylinder, der die Halterungsteile in Axialrichtung voneinander hält, und Lagereinrichtungen an den Scheitelbereichen zur Befestigung des Rotors in dem Gehäuse umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungsteile (14, 15; 14', !5') eine äußere konvexe Form aufweisen und aus elastischem Material bestehen, und daß am Außenkranz (8, 8') des Gehäuses zumindest zvei Anschläge (19) zur Begrenzung der Axialbewegung des Rotors (4; 4 ) angeordnet sind.

2. Kreiselgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse einen Außenkranz (8; 8') und ein zweites Paar von allgemein schalenförmigen dünnwandigen Teilen (5,6) umfaßt, die in ihrer Form den Halterungsteilen (14, 15; 14', 15') des Rotors entsprechen und in denen eine Anzahl von Hohlkehlen (7) zur Vergrößerung der Steifigkeit des Gehäuses (1 jausgebildet ist.

3. Kreiselgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (4) aus einem ersten Kranz (10) aus einem Material mit hoher Festigkeit und hoher Dichte und einem zweiten Kranz (11) aus einem hiervon abweichenden Material besteht, der an dem ersten Kranz(lO) befestigt ist und an dem die Halterungsteile (14, 15) durch Schweißen befestigt sind.

4. Kreiselgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kranz (11) einen starren, mit dem ersten Kranz (10) im Eingriff stehenden Flansch aufweist, und daß der zweite Kranz (11) einen schmiedbaren Teil an seiner dem Flansch gegenüberliegenden Seite aufweist, der gegen den ersten Kranz (10) geschmiedet ist, so daß der erste Kranz (10) zwischen dem Flansch und dem geschmiedeten Teil (12) eingeschlossen ist.

5. Kreiselgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kranz (10) auf den zweiten Kranz (11) aufgeschrumpft ist und im Ruhezustand eine Kompressionskraft auf den zweiten Kranz(ll) ausübt.