DE2342732A1

DE2342732A1 - Schwungrad

Info

Publication number: DE2342732A1
Application number: DE19732342732
Authority: DE
Inventors: Rolf Loesch; Dieter Rapp
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1973-08-24
Filing date: 1973-08-24
Publication date: 1975-03-06
Also published as: DE2342732C3; DE2342732B2

Description

TELDIX GmbH
6900 Heidelberg 1
Grenzhöfer Weg 36

Heidelberg, 20. August 1973 G/Pt-Sch/Ba E-299

Schwungrad

Die Erfindung betrifft ein Schwungrad, insbesondere zur Stabilisierung von Raumfahrzeugen, enthaltend einen bezüglich eines Stators drehbar gelagerten Rotor, welcher eine Schwungmasse aufweist.

Problemstellung

Schwungräder können in der Raumfahrttechnik zur Stabilisierung von Satelliten verwendet werden, wobei entweder durch Reaktionsmomente oder durch die Kreiselwirkung den von außen auf den Satelliten einwirkenden Störmomenten entgegengewirkt werden soll. Um dies mit einer möglichst geringen Masse zu erreichen, enthält der Rotor eines bekannten Schwungrades eine Schwungmasse, welche einen wesentlichen Anteil der Gesamtmasse darstellt und welche mittels relativ leichten Verbindungselementen, wie z.B. Speichen, mit einer Lagerung verbunden ist. Ein derartiger Rotor stellt jedoch aufgrund der - wenn auch geringen elastischen Verformbarkeiten der Verbindungselemente und auch des Schwungringes - ein schwingungsfähiges System dar. Ist ein derartiges Schwungrad zudem

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mittels Kardanrahmen in dem Satelliten gelagert, so liegt ein schwingungsfähiges Mehrmassensystem vor, welches insbesondere beim Start des Raumfahrzeuges bei Erreichen der Resonanzfrequenz und beim Durchlaufen der Einzelresonanzen hohen Belastungsspitzen unterworfen ist. Besonders gefährdet sind dabei die Lager, aber auch die übrigen Bauteile, sowohl des Schwungrades als auch die der Kardanrahmen. Es mußten daher bei der Dimensionierung des Schwungrades und der Kardanrahmen entsprechende Sicherheiten berücksichtigt werden und die verschiedenen Lager, Speichen und Rahmen entsprechend groß und schwer dimensioniert werden, um die Belastungen schadlos zu überstehen.

Aufgabe und Lösung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden und'ein Schwungrad zu schaffen, bei welchem mit einfachen Mitteln und unter Beibehaltung der Leistungsdaten eine Reduzierung des Gesamtgewichtes erreicht wird. Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des ersten Patentanspruches gelöst.

Vorteile und Weiterbildungen

Das erfindungsgemäße Schwungrad zeichnet sich vor allem aus durch eine - während den Belastungen der "Startphase relativ starre Koppelung der Schwungmasse bzw. -massen auf den Stator bzw. auf das Gehäuse, wenn die Anker der genannten Vorrichtungen ihre erste Endlage einnehmen. Somit werden zum einen die Schwingungsamplituden wirksam begrenzt und zum anderen aufgrund von Reibungskräften zwischen Schwungmasse und den genannten Vorrichtungen Dämpfungswirkungen erzielt, so daß die wesentlich kleine-

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ren Resonanzüberhöhungen die gefährdeten Teile des Systems weniger belasten. Es ergibt sich weiterhin eine Erhöhung der Steifigkeit zwischen Schwungmasse und Stator bzw. Gehäuse, so daß die Resonanzfrequenz des schwingungsfähigen Systemes erhöht wird. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung wird gemäß des dritten Patentanspruches erreicht, wobei durch eine Dreipunkt-Lagerung das"Schwungrad gegen translatorische und rotatorische Bewegungen in bzw. um die drei. Raumkoordinaten gesichert ist« Auf diese V/eise wird mit einem relativ geringen Materialaufwand, welcher zwar ein gewisses Mehrgewicht für das Schwungrad erfordert, erreicht,die insbesondere beim Start des Raumfahrzeuges auftretenden Belastungsspitzen von den Speichen, Schwungradlagern und gegebenenfalls Kardanrahmen und deren Lagerungen fernzuhalten, so daß aufgrund der nunmehr möglichen schwächeren Dimensionierung der genannten Bauteile das Gesamtgewicht des Schwungrades erheblich reduziert ist. Außerdem wird das bzw. die Schwungrad/räder während Transport, Lagerung und vor allem während der Startphase in einer definierten Fosition gehalten - arretiert - und taumelt nicht unkontrolliert umher bzw. schlägt nicht gegen die mechanischen Winkelausschlags-Begrenzungen der Kardanrahmen.

Ausführungsbeispiele

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 - einen Längsschnitt durch einen Teil eines Doppelschwungrades und eine Vorrichtung zum Arretieren der Schwungmassen;

Fig. 2 - einen Längsschnitt ähnlich Fig. 1, jedoch mit einer Vorrichtung, enthaltend zwei Hebel zum Arretieren der Schwungmassen.

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In Fig. 1 ist ein Teil eines DoppelSchwungrades in einem Längsschnitt dargestellt. Die beiden als zylindrische Ringe - oder ähnlich geformt - ausgebildeten Schwungmassen 1, 2 sind mittels Speichen 3» 4 bezüglich eines koaxial angeordneten Stators (nicht dargestellt) drehbar gelagert. Der Stator ist mittels zweier Kardanrahmen, deren beiden Achsen senkrecht zur Drehachse der Schwungmassen liegen, gegenüber einem ringförmigen Gehäuse 6 kardanisch aufgehängt. Die Ausbildung des Stators und der Kardanrahmen ist nicht Gegenstand der Erfindung und wird daher hier nicht näher beschrieben. Das Gehäuse enthält weiterhin zwei etwa halbkugelförmige oder aus Festigkeitsgründen ellyptische Schalen 7, 8, welche das Schwungrad und die Kardanrahmen umschließen und eine druckdichte Abkapselung ermöglichen. Auf dem Gehäuse 6 ist eine Vorrichtung 9 vorgesehen, enthaltend einen ?-förmigen Anker 10, welcher iber ein Kugelgelenk 11 mittels eines Elektromagneten 12 in radialer Richtung bewegbar ist. Im Anker ist eine Nut 13 vorgesehen, in welche ein mit dem Gehäuse 6 verbundener Zapfen 14 hineinragt. Der Zapfen 14 weist weiterhin zwei kleine Sackbohrungen 16, 17 auf, wobei durch Einrasten einer Kugel 18, welche mittels einer Feder 19 im Anker abgestützt ist, in die genannten Sackbohrungen der Anker 10 in seiner ersten bzw. zweiten Endlage stromlos gehalten wird. Die den Schwungmassen 1, 2 zugeordneten Enden des Ankers 10 weisen Nuten 20, 21 aus, welche mit Reibmaterial 22, 23 ausgefüllt sind, dessen den Schwungmassen gegenüberliegenden Oberflächen der Form der Schwungmassen angepaßt sind. Zwei weitere entsprechend der Vorrichtung 9 ausgebildete Vorrichtungen sind in Umfangsrichtung der zylindrischen Schwungmassen um jeweils 120° versetzt auf dem Gehäuse angeordnet. Befinden sich die Anker der genannten drei Vorrichtungen in ihrer ersten Endlage (wie in Fig. 1 für Anker 10 dargestellt), so sind die Schwungmassen 1,2 nahezu starr an das Gehäuse 6 gekoppelt. Damit werden die, insbesondere beim Start eines Satelliten von au3en auf das Schwungrad wirkenden großen Belastungen weitgehend von den Rahmen und Lagern

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ferngehalten, so daß diese auch für wesentlich geringere Belastungen dimensioniert werden ra-issen und somit gewichtsparend ausgelegt werden können. Aufgrund der zwischen den Schwungmassen und dem Reibmaterial 22, 23 wirksamen Reibkräfte werden in vorteilhafter Weise Schwingungen des Schwungrades gedämpft. Der Anker 10 wird durch Ansteuern des Elektromagneten radial nach außen bewegt und anschließend aufgrund des Einrastens der Kugel 18 in der Sackbohrung 17 in seiner zweiten Endlage gehalten. Nun sind die Schwungmassen 1, 2 gegenüber dem Gehäuse 6 frei bewegbar und können in bekannter Weise ihre Punktion ausüben, beispielsweise zur Stabilisierung eines Satelliten verwendet werden.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Doppelschwungrades weist im Prinzip den gleichen Aufbau auf wie das aus Fig. 1. Es sind ebenfalls um den Umfang des Schwungrades gleichmäßig verteilt drei Vorrichtungen 29 auf dem Gehäuse 6 angeordnet. Jede der Vorrichtungen 29 enthält einen T-förmigen Anker 30, welcher mittels eines Kardangelenkes 31 mit einem elektrischen Stellantrieb verbunden ist. An den den Schwungmassen 1, 2 gegenüberliegenden Enden des Ankers 30 sind Hebel 33» 34 drehbar angeordnet. Befindet sich der Anker 30 in der in Fig. 2 dargestellten ersten Endlage, so greifen die genannten Hebel in Hingnuten 35 bzw. 36 der Schwungmassen 1 bzw. 2 ein. Befindet sich der Anker 30 nach Ansteuern des Stellantriebes 32 hingegen in der sirichpunktiert eingezeichneten zweiten Endlage, so wird er in dieser Endlage durch Einrasten einer Kugel 38 mittels einer Feder 39 in eine Sackbohrung 37 des Gehäuses 6 gehalten. Dabei werden die Hebel 33» 34 mittels Federn (nicht dargestellt) an die Anschläge 41, 42 angedrückt. Beim Bewegen des Ankers 30 in seine erste Endlage führen die Hebel 33» 34 eine Drehung

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um ihre Achsen 43,'44 aus. Wie leicht nachzuweisen ist, werden die Schwungmassen gleichzeitig etwas in Richtung ihrer Drehachsen verschoben (Kniehebelprinzip), was aufgrund der Elastizität der Speichen 3, 4 und der Kardanrahmen ohne weiteres möglich ist. Da weiterhin die Neigungen der Anschlagflächen 45, 46 kleiner sind, als die Neigungen der Anschlagflächen 41, 42 bezüglich der durch die Achsen 43, 44 verlaufenden und zur Radialebene 48 senkrechten Ebene ergibt sich eine Verspannung der Schwungmassen 1, 2 gegeneinander und bezüglich des Gehäuses 6, wenn der Anker 30 seine erste Endlage einnimmt, so daß in vorteilhafter Weise eine nahezu starre Koppelung der Schwungmassen auf das Gehäuse 6 und eine weitgehende Entlastung der Kardanrahmen und Lager erreicht wird. Auch dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht eine - im Raumfahrtsektor immer geforderte - gewichtssparende und dennoch allen Anforderungen genügende Konstruktionsauslegung.

- Patentansprüche -

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Claims

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1. Schwungrad, insbesondere zur Stabilisierung von Raumfahrzeugen, enthaltend einen bezüglich eines Stators drehbar gelagerten Rotor, welcher eine Schwungmasse

. aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise drei in Umfangsrichtung des Rotors im wesentlichen gleichmäßig verteilte Vorrichtungen (9) vorgesehen sind, enthaltend jeweils einen vorzugsweise in radialer Richtung bewegbaren Anker (10, 30), welcher in einer ersten Endlage die Schwungmasse bezüglich des Stators und/oder bezüglich eines den Stator mittels Kardanrahmen tragenden Gehäuses (6) arretiert und in einer zweiten Endlage die Schwungmasse ihrer Funktion freigibt.

2. Schwungrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anker mittels Drehgelenken mit vorzugsweise elektrisch betätigbaren Stellantrieben der genannten Vorrichtung (9i 29) verbunden sind.

3. Schwungrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anker von drei Vorrichtungen gegenüber der Schwungmasse derart angeordnet sind, daß in der ersten Endlage die Schwungmasse in radialer, axialer und tangentialer Richtung arretiert ist.

4. Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 31 wobei zwei Schwungmassen um eine gemeinsame Achse, jedoch unabhängig voneinander drehbar angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Schwungmassen (1, 2) mittels der gleichen Vorrichtungen (9) arretierbar sind·

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Schwungrad nach Anspruch 4, mit zwei gleichgroßen, als zylindrische Ringe aungebildeten Schwungmassen, welche in Richtung ihrer Drehachsen nebeneinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (9) zwischen den Schwungmassen (1, 2) angeordnet sind und jeweils einen im wesentlichen T-förmigen Anker 10 aufweisen, welcher in der ersten Endlage mit seinen äußeren Enden mit den Schwungmassen in Eingriff steht.

Schwungrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anker (10) an ihren den Schwungmassen gegenüberliegenden Enden Nuten (20, 21) aufweisen, welche mit einem Material (22, 23) mit großem Reibbeiwert ausgefüllt sind, wobei die Oberflächen des genannten Materials den Oberflächen der Schwungmassen (1, 2) in geeigneter Weise angepaßt sind.

Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anker an ihren den Schwungmassen gegenüberliegenden Enden derart drehbar gelagerte Hebel (33, 34) aufweisen, da2 diese in der ersten Endlage der Anker in kreioringformige Nuten der Schwungmasse eingreifen.

Schwungrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Hebel (33, 34) in der ersten Endlage des Ankers an einer ersten ~^y\ '·.«*:■.c- (45, 46) und in der zweiten Endlage an einer zweiten Fläche (41, 42) des Ankers (30) anliegen und iaß die Neigung der ersten Fl :.;.·■ :-ü ο (45, 46) beziglich der durch die Drehachsen der genannten Hebel verlaufenden und zur Rad aalebene iteiikreehten Ebene kleiner iat als die Neigung der zweiten Fläche (41, 42).

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