DE2250656A1

DE2250656A1 - Kreisel

Info

Publication number: DE2250656A1
Application number: DE2250656A
Authority: DE
Inventors: Richard F Cimera; Walter J Krupick
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1971-10-14
Filing date: 1972-10-16
Publication date: 1973-04-19
Also published as: IL40040A; IT968871B; CA951539A; US3709045A; IL40040A0; FR2156578A1; JPS569647B2; FR2156578B1; GB1348618A; JPS4846765A; SE388033B

Description

Kreisel

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kreisel, dessen Rotor mit einer Antriebswelle über ein kardanisches Doppel-Biegegelenk verbunden ist, welches aus einem ,Satz äußerer und einem Satz innerer Kardanringe besteht, wobei die beiden Ringsätze derart aneinander angebracht sind, daß bei einem Rotorkippen um eine erste Biegeachse ein mittlerer Ring des inneren Satzes und bei einem Rotorkippen um eine zweite, gegenüber der ersten um 90 versetzte Biegeachse ein mittlerer Ring des äußeren Satzes sich mitbewegt.

Biegegelenke zur kardanischen Aufhängung des Schwungrades bzw. Rotors eines Kreisels an einer Antriebswelle dafür sind bekannt (US-PS Nr. 3 527 062, 3 538 776 und 3 354 726).

Diese Biegegelenke bestehen aus einem Satz von drei inneren und einem Satz von drei äußeren Kardanringen, welche Sätze konzentrisch und parallel angeordnet miteinander verbunden sind. Die drei Ringe jedes Satzes sind durch zwei im Quadrat angeordnete Paare von Biegestreben miteinander verbunden, welche ein Kippen der Kardanringe um jede zur

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Mittelachse des jeweiligen Satzes senkrecht verlaufende Querachse erlauben.

Die oberen Kardanringe der beiden Sätze sind aneinander und am Schwungrad bzw. Rotor des Kreisel befestigt. Desgleichen sind die unteren Kardanringe der beiden Sätze miteinander verbunden, ferner mit der Antriebswelle des Kreisels. Der innere Hingsatz gewährleistet die axiale Steifheit entlang der Kreiseldrehachse, der äußere Ringsatz die erforderliche radiale Steifheit und Torsionssteifheit.

Nachteiligerweise ist es bei diesen bekannten Doppel-Biegegelenken nicht möglich, einen Ausgleich zur Beseitigung solcher zyklischer, im Durchschnitt nicht den Wert 0 annehmender Drehmomente vorzunehmen, welche von Drehvibrationen um die Eingangsachse herrühren. Treten solche Drehvibrationen um die Eingangsachse mit einer Frequenz gleich der doppelten Schwungrad- bzw. Rotordrehzahl auf, dann ergibt sich ein Drehmoment, welches Drift hervorruft, d. h. eine nicht voraussagbare Kreiselpräzession.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kreisel der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei welchem die mittleren Ringe des inneren und äußeren Ringsatzes hinsichtlich Trägheit und Massenunwucht einstellbar sind, um Federungsmomente, welche vom Biegegelenk auf den Rotor einwirken, effektive Ringunwuchten sowie die besagten Drehmomente auszugleichen, welche aus Drehvibrationen um die Eingangsachse resultieren und ein Driften hervorrufen, d. h. eine nicht voraussagbare Kreiselpräzession.

Der erfindungsgemäße Kreisel der besagten Art ist demgemäß gekennzeichnet durch eine koaxial zur Drehachse

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des mittleren Ringes des inneren Ringsatzes axial einstellbar angeordnete Ausgleichstange _s und durch Ausgleichgewichte am mittleren Ring des äußeren Ringsatzes_a

Die Ausgleichstange wird so eingestellt, daß sich, für den mittleren Kardanring des inneren Ringsatzes ein solches Trägheitsmoment ergibt, daß die Federungsmomente derjenigen Biegestellen dynamisch ausgeglichen sind, welche sich "bei Bewegung, des mittleren Kardanrings vom inneren Ringsatz mit dem Rotor biegen. Weiterhin kann mit der Ausgleichstange eine Einstellung bezüglich der Unwucht um die erste Biegeachse in einer zur Drehachse des mittleren Ringes senkrechten Ebene erfolgen.

Die Ausgleichgewichte am mittleren Ring des äußeren Ringsatzes bestimmen dessen Trägheitsmoment derart, daß die Federungsmomente der Biegestellen dynamisch ausgeglichen sind, welche sich bei Bewegung dieses mittleren Ringes mit dem Rotor biegen, wobei die Ausgleichgewichte eine Einstellung bezüglich Unwuchten um die besagte zweite Biegeachse in einer zur Drehachse des mittleren Ringes senkrechten Ebene ermöglichen.

Die Ausgleichstange und die Ausgleichgewichte bewirken in Kombination miteinander einen,dynamischen Ausgleich bezüglich der Federungsmomente und die Beseitigung von Kreiseldriftfehlern· Unter Federungsmomenten sind Drehmomente zu verstehen, welche vom Biegegelenk auf den Rotor bzw. das Schwungrad einwirken und proportional dem Produkt aus Steifheit der Biegestellen des Gelenks und Deformationswinkel der Biegestellen sind. Mit Kreiseldriftfehlern sind hier die Fehler im Ausgang bezeichnet, welche von der nicht voraussagbaren Kreiselpräzession auf Grund von Drehvibra-

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tionen und linearen Vibrationen herrühren, die mit einer Frequenz gleich der doppelten Rotordrehzahl auftreten.

Vorzugsweise weist der äußere Ringsatz Zugangsbohrungen zur Materialentfernung auf. Bei einem Doppel-Biegegelenk, welches bezüglich linearen Bewegungen des Rotors in radialer Richtung geringfügig steifer als im Hinblick auf lineare Rotorbewegungen in axialer Richtung ist, kann durch die Materialentfernung eine solche gegenseitige Anpassung der effektiven linearen und radialen Rotorbewegungen sowie der linearen und radialen Rotorbeschleunigungen erzielt werden, daß anisoelastische Kreiseldriftfehler vermieden sind. Solche Fehler treten dann auf, wenn die Kraft einer linearen Vibration in irgendeiner Richtung auf den Kreisel wirkt, bei dem die elastische Verformung sich mit der Richtung ändert, in welcher eine Kraft aufgebracht wird. Bei den hier in Rede stehenden Kreiseln werden anisoelastische Kreiseldriftfehler insbesondere durch seitliche Verschiebung des Rotor- bzw. Schwungradschwerpunktes bei Einwirkung einer Vibrationskraft darauf bewirkt. Die unterschiedliche Biegung der Biegestellen bzw. Biegestreben in einer axialen und einer quer verlaufenden Richtung bewirkt einen Versatz zwischen dem Schwerpunkt und dem Vibrationskraftvektor, so daß ein Fehlerdrehmoment auf den Rotor bzw. das Schwungrad einwirkt.

Vorteilhafterweise sind zwei einander diametral gegenüberliegende Ausgleichgewichte am mittleren Ring des äußeren Ringsatzes vorgesehen. Jedes Ausgleichgewicht kann aus einem auf der einen Ringseite und einem auf der anderen Ringseite angeordneten Gewichtsteil bestehen. Dabei kann zwischen einem Gewichtsteil und dem zugehörigen Ring eine Hülse vorgesehen sein.

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Nachstehend ist eine Ausführungsform der Erfindung an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch Schwungrad bzw. Ro-' tor, Antriebswelle dafür und ein verbindendes Doppel-Biegegelenk eines erfindungsgemäßen Kreisels in schematischer Wiedergabe;

, Fig. 2 lind 3 einen Längsschnitt bzw. eine Stirnansicht einer beim Kreisel gemäß Fig. 1 vorgesehenen Hülse;

Fig. 4 die Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 1 in größerem Maßstab ohne Kreiselrotor bzw. -schwungrad; und

.Fig. 5 eine der Fig. 4 entsprechende Seitenansicht.

Gemäß Fig.. 1 ist bei einem Kreisel mit freiem, über ein Biegegelenk aufgehängtem Rotor ähnlich dem Kreisel gemäß US-PS Nr. 3 538 776, ein Schwungrad oder Rotor 10, eine Antriebswelle 12 und ein Biegegelenk 14 vorgesehen, welches den Rotor 10 und die Welle 12 nach Art eines Kardangelenks verbindet. Andere Bauteile des Kreisels, wie beispielsweise das äußere Gehäuse, die Lagerung für die Antriebswelle 12, der Antriebsmotor, sind der besseren Übersicht wegen nicht dargestellt und auch nicht erfindungswesentlich und können von bekannter Bauweise sein.

Im Betrieb wird beim Kreisel gemäß Fig. 1 der Rotor 10 von der Welle 12 über das Biegegelenk 14 in Umdrehung versetzt, so daß der Rotor 10 um die Z-Achse rotiert.

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Das Biegegelenk 14 ist demjenigen nach US-PS Nr. 3 354 726 ähnlich. Es weist außen einen unteren Aufhängungsring 18, einen mittleren Aufhängungsring 20 und einen oberen Aufhängungsring 22 auf, wobei der mittlere Hing 20 ein Paar von einander diametral gegenüberliegenden Biegestreben 24 besitzt, welche den Ring 20 mit dem oberen Ring 22 verbinden, ferner ein zweites Paar von zwei einander diametral gegenüberliegenden Biegestreben, welches nicht dargestellt ist, gegenüber dem ersten Paar um 90° in TJmfangsrichtung versetzt ist und den Ring 20 mit dem unteren Ring 18 verbindet.

Das Biegegelenk 14 gemäß Fig. 1 weist weiterhin innen einen unteren Ring 26, einen mittleren Hing 28 und einen oberen Ring 30 auf. Der untere Ring 26 ist mit dem mittleren Ring 28 durch ein erstes Paar einander diametral gegenüberliegender Biegestreben 32 verbunden, der obere Ring 30 mit dem mittleren Ring 28 durch ein zweites Paar ebenfalls einander diametral gegenüberliegender Biegestreben, welches nicht dargestellt und gegenüber dem ersten Paar um 90° in Umfangsrichtung versetzt ist. Die Ringe sind derart zueinander angeordnet, daß der äußere mittlere Ring 20 bewegt wird, wenn das Biegegelenk 14 um eine Achse gebogen wird, während der innere mittlere Ring 28 sich bewegt, wenn das Biegegelenk 14 um eine zweite Achse gebogen wird, welche rechtwinklig zur ersten Achse verläuft.

Der äußere untere Ring 18 ist mit dem inneren unteren Ring 26 fest verbunden, desgleichen der äußere obere Ring 22 mit dem inneren oberen Ring 30. Auf diese Weise können sowohl bei den äußeren als auch bei den inneren Ringen der obere und der untere Ring 22 und 18 bzw. 30 und 26 gegeneinander verschwenken, und zwar um die zur Drehachse Z

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normale X-Achse und die Y-Achse, welche die Drehachse Z und X-Achse schneidet und normal zur Zeichnungsebene von Fig. 1 verläuft.

Zusätzlich ist der äußere, obere Ring 22 am Rotor 10 des Kreisels befestigt, der innere, untere Ring 26 an der Antriebswelle 12. Die äußeren Ringe und die inneren Ringe bzw. die davon gebildeten Gelenkanordnungen ergänzen einander und ermöglichen ein Schwenken des Rotors 10 bezüglich der Welle 12 während des Umlaufs um jede zur Drehachse Z senkrechte Querachse.

Die Genauigkeit eines Kreisels mit freiem Rotor und dem beschriebenen Biegegelenk zur Verbindung von Rotor und Antriebswelle wird von einer positiven Federrückstellkraft beeinflußt. Diese Kraft wird im Biegegelenk bzw. dessen Elementen selbst erzeugt, wenn der Rotor 10 gegenüber .der Welle 12 kippt. Einen weiteren Beeinflussungsfaktor stellt die negative Federkraft dar, welche von Trägheitskräften des mittleren Ringes herrührt, wenn der Rotor gegenüber der Drehachse Z kippt. Weiterhin ist die beim Rotorumlauf wechselnde Unwucht von Einfluß, welche darauf zurückzuführen ist, daß die Biegestreben der äußeren Ringe nicht in derselben Ebene ,liegen, oder daß die Ringe nicht ausgewuchtet sind, und daß Unterschiede in der linearen Steifheit des Gelenkes bezüglich radialen und axialen Beschleunigungskräften gegeben sind.

Eine Kompensation der Federungskennwerte wird durch Einstellung der Trägheit bzw. trägen Masse jedes mittleren Ringes erreicht, so daß die resultierenden Trägheitsdrehmomente zu den Federungsmomenten für eine gegebene Biegeachse passen. Gemäß Fig. 1 kompensieren die resul-

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tierenden Trägheitsfederdrehmomente auf Grund des mittleren Ringes 20 die Biegefederungsdrehmomente in der X-Achse, welche auf die Biegestreben 24 und 32 zurückzuführen sind. Die träge Masse des Trägers 28 ist so, daß die Biegefederungsdrehmomente auf der Y-Achse kompensiert werden. Auch können dieselben Gewichte, welche zur Trägheitskompensation dienen, durch richtige Anordnung zur Kompensation von Unwuchten verwendet werden, die auf Grund der Lage der Biegestreben der äußeren Ringe in verschiedenen Ebenen gegeben sind.

Eine Kompensation für den inneren mittleren Ring erfolgt gemäß US-PS Nr. 3 538 776, wobei eine zylindrische Stange 38 koaxial in einer Bohrung in der Mitte des Ringes 28 angeordnet ist, welche zur Kompensation bzw. dem Ausgleich von Federungskennwerten dient. Die Stange 38 weist in der Nähe des oberen Endes eine Ringnut 40 auf, um ein leichtes Einsetzen und Entfernen in den bzw. aus dem mittleren Ring 28 mittels eines geeigneten Greifwerkzeuges zu ermöglichen. Am unteren Ende ist die Stange 38 mit einem konischen Abschnitt 42 versehen, welcher in einen zylindrischen Endabschnitt 44 kleineren Durchmessers übergeht, so daß der Einsatz der Stange 38 in die mittlere Bohrung des Ringes 28 weiter vereinfacht ist.

Zur Halterung der Stange 38 und axialen Einstellung derselben ist eine zylindrische Hülse 46 aus Metall vorgesehen, welche gemäß Fig. 2 und 3 einen ringförmigen Abschnitt 48 und mehrere in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Finger 50 aufweist, die jeweils sich axial zum freien Ende hin verjüngen und so gebogen sind, daß das freie Ende radial nach innen ragto. Die Hülse 46 weist auch einen Schlitz 52 auf, welcher parallel zur Hülsenachse verläuft

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tma eine Kontraktion in Umfangsrichtung erlaufet, wenn die Hülse 46 in den mittleren Ring 28 eingesetzt wird.

Der Hauptabschnitt 48 der Hülse 46 ist also radial nach, außen gegen die Innenfläche der Bohrung des mittleren Ringes 28 gedrückt, und die resultierende positive Federkraft hilft, die Hülse 46 in dem mittleren Ring 28 in Stellung zu halten, "bis sie durch Kleben oder sonst wie befestigt wird. Obwohl die von den Fingern 50 der Hülse 46 ausgeübten Federkräfte ausreichen, um die Stange 38 während des normalen Betriebes vom Kreisel festzuhalten, sind die Reibungsgreifkräfte gering genug, um die Stange 38 zum Ausgleich der Federungskennwerte und zur Ringunwuchtkompensation axial einstellen zu können.

Erfindungsgemäß sind für den äußeren mittleren Ring 20 zusätzliche Kompensationsgewichte vorgesehen, welche jedoch in Fig. 1 der besseren Klarheit wegen nicht wiedergegeben sind. Gemäß Fig. 4 und 5 sind die Kompensationsgewichte für die aus den äußeren Ringen bestehende Anordnung an den mittleren Ring 20 geklemmt. In Fig. 4 und 5 sind zwei Gewichtsanordnungen für das Auswuchten dargestellt. Eine Gewichtsanordnung weist ein Gewicht 9» eine Schraube 10', eine Hülse 11' und ein Gewicht 12' auf, alle an den Ring geklemmt und geklebt. Diese Gewichte werden eingestellt, um die erforderliche Trägheit und das erforderliche Auswuchten entlang der Z-Achse zu erhalten. Das Gewicht 9 ist gewöhnlich aus dichterem Material, da es kurzer ist, während die Hülse 11' und das Gewicht 12^f auf der Rotorseite leichter und kleiner sind, weil sie weiter von der Ringachse weg liegen, um zugänglich zu sein.

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Es sind Bohrungen 14·', 15» 16 und 17 vorgesehen, welche sich in den Biegebereich erstrecken, um das radiale (quer zur Drehachse) und axiale (parallel zur Drehachse) Biegevermögen des Biegegelenks dem eingesetzten Rotor 10 anpassen zu können.

Bei einem Kreisel mit freiem' Rotor und kardanischer Ringaufhängung wird die träge Nasse der Ringe so eingestellt, daß bei normalen Betriebsdrehzahlen die Trägheitsrückstellmomente und Biegeruckstellmomente resultierend von Bewegungen um die Eingangsachse in Wegfall kommen, wobei unter Rückstellmoment das Drehmoment zu verstehen ist, welches das Gelenk bei Auslenkung liefert. Um eine dynamische Abstimmung bei allen Frequenzeingängen zu erreichen, muß eine besondere Gruppe von Bedingungen verwirklicht sein, welche darin bestehen, daß der Kreisel bzw. der Rotor von zwei Sätzen von Biegestreben gehalten wird, deren Achsen orthogonal liegen, so daß ein mittlerer Ring sich bei Bewegung um eine Biegeachse bewegt, während der andere mittlere Ring sich bei einer Bewegung um die andere Biegeachse bewegt, welche gegenüber der ersten Achse um versetzt ist. Weiterhin muß jeder Ring hinsichtlich der tragen Kasse so eingestellt sein, daß Biegungswiderstände kompensiert sind, und zwar wie folgt:

O)

W²(I_A-I_B) -K_x-K_y (2)

Darin bedeuten w die Rotorgeschwindigkeit bzw. -drehzahl, I^ die Trägheitskompensation des Ringes, welcher mit dem Rotor bei der X-Achse verbunden ist, wobei I. der

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Summe der Trägheiten um jeden Biegeachsensatz minus dem polaren Trägheitsmoment ist. I_ß bedeutet die resultieren-' de Trägheitskompensation des Ringes, welcher mit dem Rotor bei der Y-Achse verbunden ist, wobei It, gleich der Summe der Trägheiten um jeden Biegeachsensatz minus dem polaren Trägheitsmoment ist. K ist gleich der Summe der Fede-· rungswiderstände beider Biegestrebensätze um die X-Achse, K_ gleich der Summe der Federungswiderstände beider Biegestrebensätze um die X-Achse. Sind die Bedingungen gemäß der Gleichungen (1) und (2) erfüllt, dann sind die in Phase befindlichen Kreiseldriftfehler auf Grund fester bzw. vibrierender Drehbewegung beseitigt.

Zusätzlich zur geschilderten Trägheitseinstellung werden die Trägheitsgewichte so positioniert, daß sich ein Ausgleich in der zur Drehachse senkrechten Ebene ergibt. Dies ist erforderlich, um Kreiseldriftfehler auf Grund linearer Vibrationen senkrecht zur Drehachse, welche mit der doppelten Rotorumlauffrequenz bzw. -drehzahl auftreten, zu eliminieren.

Um in radialer und axialer Richtung passende lineare Federungsvermögen zu erhalten, sind die äußeren Biegestreben geringfügig steifer als die inneren Biegestreben ausgebildet, so daß sie bei eingebautem Rotor über die Bohrungen 14·', 15, 16 und 17 fertig bearbeitet werden können. Das Passen ist erforderlich, um anisoelastische Kreiseldrift fehl er zu eliminieren.

Beispielsweise können beim Eichen das Federungsvermögen um die "X- und die Y-Achse statisch und die statische Unwucht in der zur Drehachse senkrechten Ebene gemessen werden. Auf Grund der ermittelten Ergebnisse werden die für

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das gewünschte Auswuchten und die gewünschte Trägheit erforderlichen Gewichte ausgewählt. Die Endabstimmung erfolgt, indem der Kreisel laufen gelassen und letzte Einstellungen mit Eingabe von Dreh- oder Winkelbewegungen, linearen Vibrationen und Dreh- sowie linearen Vibrationen mit der doppelten Frequenz des umlaufenden Rotors gemacht werden.

Mit dem erfindungsgemaßen Biegegelenk sind Drehvibrationsfehler vermieden. Das Biegegelenk weist eine Mindestzahl von Teilen auf, die zur dynamischen Abstimmung des Gelenkes für die Kompensation von linearen und Drehvibrationsfehlern erforderlich sind.

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Claims

Ansprüche

1.J Kreisel, dessen Rotor mit einer Antriebswelle über ein cardanisches Doppel-Biegegelenk verbunden ist, welches aus einem Satz äußerer und einem Satz innerer Kardanringe "besteht, wobei die beiden Ringsätze derart aneinander angebracht sind, daß bei einem Rotorkippen um eine erste Biegeachse ein mittlerer Ring des inneren Satzes und bei einem Rotorkippen um eine zweite, gegenüber der ersten um 90° versetzte Biegeachse ein mittlerer Ring des äußeren Satzes sich mitbewegt, gekennzeichnet durch eine koaxial zur Drehachse des'mittleren Ringes (28) des inneren Ringsatzes (26, 28, 30) axial einstellbar angeordnete Ausgleichstange (38), und durch Ausgleichgewichte (9, 10', 22¹, 12') am mittleren Ring (20) des äußeren Ringsatzes (18, 20, 22).

2. Kreisel nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ringsatz (18, 20, 22) Zugangsbohrungen (14*, 15, 16, 17) zur Mäterialentfernung aufweist.

3. Kreisel nach Anspruch. 1-oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander diametral gegenüberliegende Ausgleichgewichte (9, 10¹, 11', 12¹) am mittleren^Ring (20) des äußeren Ringsatzes (18, 20, 22) vorgesehen sind.

4. Kreisel nach Anspruch 1,2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ausgleichgewicht aus einem auf der einen Ringseite und einem auf der anderen Ringseite angeordneten Gewichtsteil (9 bzw. 12¹) besteht.

5· Kreisel nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Gewichtsteil (12¹) und dem zugehörigen

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Ring (20) eine Hülse (11') vorgesehen ist,

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