DE2629721A1

DE2629721A1 - Federelastische verbindung zwischen zwei bauteilen

Info

Publication number: DE2629721A1
Application number: DE19762629721
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Beardmore
Original assignee: Smiths Group PLC
Current assignee: Smiths Group PLC
Priority date: 1975-07-03
Filing date: 1976-07-02
Publication date: 1977-01-20
Also published as: JPS5236269A; NL171186C; NL171186B; JPS589298B2; BR7604355A; FR2330908A1; GB1545774A; US4122689A; NL7607266A; CA1052601A; DE2629721C2; FR2330908B1; IT1066572B; SE7607598L; SE415697B

Description

Rolf Charrier

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7170/65/Ch/Fr Augsburg, 30. Ouni 1976

Smiths Industries Limited Cricklewood Works
GB-London MW2 6ON
England

Γ ederelast j sehe Verbindung ζννΐ sehen zwei Bautei len

Die Erfindung betrifft eine federelastische Verbindung zwischen zwei gegeneinander verdrehbaren Bauteilen, bestehend aus zwei bei Verdrehungen eine Rückstellkraft erzeugenden Federn, von denen jede mit ihrem einen Ende am einen Bauteil und mit ihrem anderen Ende am anderen Bauteil befestigt ist.

Federelastische Verbindungen der vorgenannten Art sind beispielsweise beschrieben in den GB-PS 915 918, 945 464 und 984 196. Hierbei werden zwei Flachfedern verwendet, von denen jede mit einem Ende an einer ersten drehbaren Muffe und mit dem anderen Ende an einer zweiten drehbaren zur ersten Muffe koaxialen Muffe befestigt sind, so daß bei einer winkelmäßigen Verdrehung der beiden Muffen die Federn eine Rückstellkraft ausüben.

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Der Hauptnachteil dieser bekannten federelastischen Verbindung besteht in ihrer schwierigen Herstellung und insbesondere in der genauen Befestigung der Federn an den beiden Mu ffen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die federelastische Verbindung einfacher auszubilden und einen einfacheren Zusammenbau als bei den bekannten Verbindungen zu erreichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer federelastischen Verbindung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vor- · geschlagen, daß jedes Bauteil Stiftpaare aufweist und jede Feder mit ihrem einen Ende zwischen zwei Stiften des einen Bauteils und mit ihrem anderen Ende zwischen zwei Stiften des anderen Bauteils gehalten wird.

Durch die Verwendung von Stiften zum Festhalten der Federn ist es möglich, einen vereinfachten Aufbau und eine vereinfachte Montage zu erhalten. Durch das Festhalten der Federenden zwischen zwei Stiften ist der Ort und die effektive Länge jeder Feder bei der federelastischen Verbindung präzis definiert.

Bei dem so vorgeschlagenen Aufbau sind nur einfach ausgebildete Bauteile erforderlich. Zusätzliche Bauteile, wie beispielsweise Befestigungsmittel, können· entfallen, wodurch insbesondere das Problem vermieden wird, welches sonst bei der Verwendung von Bauteilen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auftritt. Der offene und frei zugängliche Aufbau vermeidet auch den Nachteil, daß sich während der Herstellung und dem Gebrauch Schmutz in der federelastischen Verbindung sammeln kann.

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Die Erfindung umfaßt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbindung, in dem als erster Schritt vier Stiftpaare mit einem Ende aTi einen Bauteil befestigt werden, jedes Ende jeder Feder zwischen zwei Stiften befestigt wird, danach die anderen Enden der vier Stiftpaare am anderen Bauteil befestigt werden und als nächstes jeweils gegenüberliegende Stiftpaare am jeweils anderen Bauteil durchschnitten werden.

Dieses Herstell verfahren ist sehr einfach durchzuführen. Es ist jederzeit maschinell durchführbar.

Die gleichen Verfahrensschritte und Bauteile können bei der Herstellung von Verbindungen unterschiedlicher Charakteristik Anwendung finden. Die Charakteristika der federelastischen Verbindung kann auf einfache Weise bestimmt werden durch die Anzahl und Stellen der vorzunehmenden Schnitte.

Zwei Formen einer federelastischen Verbindung und ihre Herstellung werden nachfolgend beschrieben. In den Zeichnungen zei gen :

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform ;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1; Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie IIT-III in Fig. 2;

Fig. k die Ausbildung einer von zwei identischen Federn, wie sie bei der Verbindungsvorrichtung nach Fig. 1 Verwendung finden;

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Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer federelastischen Verbindung;

Fig. 6 einen Schnitt durch die zweite Ausführungsform gemäß dem Schnitt nach Fig. 3;

Fig. 7 einen Schnitt entsprechend den Schnitten nach Fig. 3 oder 6 bei der zweiten Ausführungsform im halbfertigen Zustand und

Fig. 8 ein Gyroskop mit federelastischen Verbindungen gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die beiden nachfolgend beschriebenen federelastischen Verbindungen sind insbesondere zur Lagerung des Kardangestells bei einem Gyroskop geeignet. Solche federelastischen Verbin düngen werden in diesem Zusammenhang benötigt, um eine winkelmäßige Verdrehung des Kardangestells relativ zum Gehäuse des Gyroskops zu ermöglichen und zwar in einem begrenzten winkelmäßigen Bereich um eine zentrale Nullstellung, wobei innerhalb dieses Bereichs ein linear verlaufendes Rückstellmoment erzeugt werden soll. Die federelastischen Verbindungen sind jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt.

Die federelastische Verbindung gemäß den Fig. 1 bis 3 verbindet eine zylindrische Befestigungswelle 1 des nicht dargestellten Kardangestells mit einem Befestigungsblock 2 am Gehäuse des Gyroskops. Die Welle 1 und der Block 2 fluchten miteinander in der Längsachse 3 und die einander gegenüberliegenden Enden 4- und 5 verlaufen parallel zueinander. An der Endfläche 4 der Welle 1 sind fünf Stifte 6 bis 10 konzentrisch angeordnet, weiche parallel zur Achse 3 in Richtung des Blocks 2 zeigen. Entsprechende fünf Stifte 11 bis

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15 sind konzentrisch an der Endfläche 5 befestigt, wobei diese Stifte ebenfalls parallel zur Achse 3 verlaufen und in Richtung der Fläche 4 der Welle 1 weisen. Die Stifte 7 und 8 stehen eng beieinander, ebenso die beiden Stifte 9 und 10. Die Stifte 9, 10 sind um 90 versetzt zu den Stifcen 7, 8 angeordnet. Die entsprechend angeordneten Stiftpaare 12, 13 und 14, 15 sind diametral zu den beiden vorgenannten Stiftpaaren angeordnet, das heißt, das Stiftpaar 12, 13 befindet sich gegenüber deTi Stiftpaar 7, 8 und das Stiftpaar Ik, 15 gegenüber dem Stiftpaar 9, 10.

Zwei Flachfedern 16, 17 sind jeweils mit ihren Enden an einander gegenüberliegenden Stiftpaaren befestigt, wodurch sie die Welle 1 mit dem Befestigungsblock 2 federelastisch verbinden. Die Ebenen der beiden Flachfedern 16 und 17 kreuzen einander rechtwinklig in der Achse 3, wobei die Achse somit die Länge jeder Feder teilt. Jede der Flachfedern 16 und 17, deren Form in Fig. k gezeigt ist, besteht aus zwei parallelen Federarmen 18 und 19, die an einem Ende über ein Verbindungsteil 20 miteinander verbunden sind und deren andere Enden längsverlaufende Befestigungsteile 21 und 22 tragen, die durch einen schmalen Spalt voneinander getrennt sind. Die Endteile 21 und 22 der Feder 16 sind zwischen den Stiften 7 und 8 angeordnet, wobei eine feste Verbindung durch Löten hergestellt wird. Das Verbindungsteil 20 dieser Feder 16 ist zwischen den Stiften 12 und 13 angeordnet und dort verlötet. In entsprechender Weise sind die Endfceile und 22 der Feder 17 mit den beiden Stiften 9 und 10 verlötet, während das Verbindungsteil 20 zwischen den Stiften 14- und 15 festgehalten ist.

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Die Federarme 18 und 19 der beiden Federn 16 und 17 sind längs der Achse 3 axial versetzt zueinander verschachtelt angeordnet, derart, daß auf den Federarm 18 der Feder 16 der Federarm 18 der Feder 17 und der Federarm 19 der Feder 16 der Federarm 19 der Feder 17 folgt. Auf diese Weise wird eine relativ steife Verbindung zwischen der Welle 1 und dem Block 2 erzeugt, die jedoch eine Drehung um die Achse 3 erlaubt und bei einer Verdrehung um diese Achse 3 ein mit der Größe der Verdrehung im wesentlichen linear ansteigendes Rückdrehmoment erzeugt.

Die beiden Stifte 6 und 11 begrenzen den Verdrehwinkel zwischen der Welle 1 und dem Block 2. Der normalerweise auftretende Verdrehwinkel liegt beispielsweise bei 2 Verdrehweg in jeder Richtung um die Achse 3. Die verdrehbegrenzenden Stifte lassen eine Maximalverdrehung von 5 zu. Wenn die Welle 1 um diesen maximalen Winkelweg in Bezug auf den Befestigungsblock 2 in einer Richtung verdreht wird, dann kommt der Stift 6, der an der Welle 1 oefestigt ist, in Kontakt mit dem Stift 15 des Befestigungsblocks 2. Wird dagegen die Welle 1 um den gleichen Betrag in Gegenrichtung verdreht, dann kommt der Stift 11, der am Block 2 befestigt ist, in Kontakt mit dem Stift 10 an der Welle 1.

Die gesamte flexible Verbindungsvorrichtung besteht aus Stahl Die Welle 1, der Befestigungsblock 2 und die Stifte 6 bis sind nickelplattiert. Da die gesamte Verbindungsvorrichtung lediglich aus einem Material besteht, ist im wesentlichen keine Instabilität vorhanden, welche durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten bei der Verwendung von unterschiedlichen Materialien entstehen würde.

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Die Flachfedern 16 und 17 werden vorzugsweise mittels Photoätzen hergestellt, wobei die Maske so gelegt wird, daß die Federarme 18 und 19 parallel zur Kornrichtung des Ausgangsmaterials verlaufen. Die Flachfedern werden nicht plattiert, um die Möglichkeit eines bimetallischen Effekts während des Betriebs zu vermeiden, der auftreten würde durch die Kugelbildung des plattierten Materials an der Federoberfläche während des Hartlötens, Die Verwendung von Maraging-Stahl für die Federklingen 16 und 17 ermöglicht, daß die Nickelplattierung an den Stiften während der Bildung der Hartlötverbindung auf das unplattierte Material der Federklingen übergeht.

Eine zweite Ausführungsform ist in den Fig. 5 und 6 gezeigt. Diese federelastische Verbindung besteht aus den gleichen Grundbestandteilen wie in Fig. 1, weist jedoch einen Torsionswiderstand auf, der lediglich halb so hoch ist wie bei der Verbindungsvorrichtung nach Fig. 1. Der Verdrehwiderstand zwischen der Welle 1 und dem Befestigungsblock 2 Ist in diesem Fall bestimmt durch zwei Federarme jeder Feder, die in Serie zueinander wirken, während bei der Ausführungsform nach Fig. 1 diese Federarme parallel zueinander wirken.

In den Fig. 5 und 6 ist ein Ende des Federarms 18' einer U-förmigen Feder 16' festgehalten zwischen den Stiften 7* und 8", welche an der Endfläche 4 der Welle 1 befestigt sind. Das Ende des Federarms 19' dieser Feder wird festgehalten zwischen den Stiften 7¹' und 8¹' an der Fläche 5 des Befestigungsblocks 2. Letztgenannte Stifte liegen in der-Verlängerung der Stifte 7' und 8'. Das die Federarme 18' und 19" der Feder 16' verbindende Verbindungsteil ist zwischen den beiden Stiften 12' und 13' angeordnet, die weder mit der

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Welle 1 noch dem Block 2 verbunden sind. In entsprechender Weise ist der Federarm 18' der U-förmigen Blattfeder 17' mit einem Ende zwischen den Stiften 9' und 10' befestigt, die vom Ende der Welle 1 abgehen. Der Federarm 19' dieser Feder ist zwischen zwei Stiften 9^!I und 10'' befestigt, die vom Ende 5 des Blocks 2 abgehen, während der Verbindungsteil der Feder 17' sich zwischen zwei Stiften 14-' und 15* befindet, die weder mit der Welle 1 noch dem Block 2 verbunden sind. Die Federn 16' und 17' sind verschachtelt miteinander angeordnet und ihre Ebenen kreuzen sich winkelrecht in der Achse 3.

Die beiden Stifte 6' und 11', welche beide an der Welle 1 angeordnet sind, wirken als Verdrehanschläge. Bei einer übermäßigen winkelmäßigen Verdrehung in der einen Richtung tritt der Stift 7'' des Blocks 2 in Kontakt mit dem Stift 6' der Welle 1, während bei einer entsprechenden Verdrehung in Gegenrichtung der Stift 10'' des Blocks 2 in Kontakt kommt mit dem Stift 11' der Welle 1.

Die Herstellverfahren der Verbindungsvorrichtungen gemäß den Fig. Ϊ bis 3 und 5 und 6 werden nachfolgend anhand der Fig. 7 bezüglich der Herstellung der Vorrichtung nach den Fig. 1 bis 3 beschrieben.

Gemäß Fig. 7 wird ein Ende jedes Stiftes 6 bis 15 mit Preßsitz in eine der zehn Bohrungen der Fläche h der Welle 1 eingesetzt. Die Stahlblattfeder 16 wird zwischen die Stifte 7 und 8 und die Stifte 12 und 13 eingesetzt, während die Feder 17 zwischen die Stiftpaare 9 und 10 und 14 und 15 eingesetzt wird, so daß die beiden Federn 16 und 17 verzahnt angeordnet sind und ihre Ebenen sich unter einem rechten Winkel kreuzen. Das andere Ende jedes Stiftes wird in eine

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entsprechende Bohrung in der Fläche 5 des Befestigungsblocks 2 eingepreßt. Die zentrale Anordnung der Federn 16 und 17 wird erleichtert durch erhöhte Ränder 23 und 2k am Umfang der Flächen 4 und 5.

Um die Stifte 6 bis 15 an der Welle 1 und am Block 2 und die Federn 16 und 17 an Stiften festlegen zu können, werden alle Kontaktbereiche der Stifte mit der Welle und dem Block sowie den Federn mit einem Hartlötmaterial beschichtet. Die gesamte Vorrichtung wird sodann unter Vakuum hartgelötet. Die Bauteile können durch ein geeignetes Verbindungsmaterial zusammengehalten werden, welches während dem Löten verdampft. Die Geometrie der Federanordnung ermöglicht eine genaue reproduzierbare Lötverbindung, welche so gestaltet ist, daß die gesamte Länge der Federn frei von Lötstellen ist und somit in ihrer vollen Länge zur Verbiegung zur Verfügung stehen. Infolge des zwangsläufigen Festhaltens der Teile ist es nicht notwendig, während des Lötens eine Schablone oder Hilfsvorrichtung zu verwenden. Während des Lötens wird die Verbindungsvorrichtung in vertikaler Richtung in einem Ofen angeordnet und die Temperatur wird unter einem Vakuum langsam auf 930 C erhöht. Diese Ofentemperatur wird für zwei Minuten beibehalten und sodann wird unter Vakuum langsam auf 800° C abgekühlt. Anschließend wird die Vorrichtung rasch auf Raumtemperatur abgekühlt und sodann wird vergütet, indem die Temperatur unter Vakuum langsam auf 4-80 C gebracht wird. Diese Temperatur wird für drei Stunden beibehalten und anschließend wird abermals rasch auf Raumtemperatur abgekühlt.

Da die gesamte Vorrichtung nur aus einer Materialart besteht, nämlich aus Maraging-Stahl, tritt bei der Wärmebehandlung kein Schaden auf, der sonst auftreten würde, wenn

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Materialien unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden würden. Bei der Wärmebehandlung werden die Federn gehärtet, was dazu führt, daß bei der anschließenden Biegebeanspruchung die mechanische Hysterese vermindert ist. In diesem Stadium der Herstellung besteht die Verbindungsvorrichtung aus einem starren Gebilde, welches leicht gehandhabt werden kann und anschließend ohne Beschädigung bearbeitet werden kann. Die beiden verschiedenen Ausführungsformen der elastischen Verbindungsvorrichtung werden anschließend hergestellt durch Abschneiden der Stifte und Federn an verschiedenen Punkten. Das Bearbeiten wird vorzugsweise vorgenommen durch Funkenerosion.

Die Verbindungsvorrichtung nach den Fig. 1 bis 3 wird erzeugt von der starren Verbindungsvorrichtung durch Anbringen von Schnitten nahe den Flächen A und 5. Die Schnitte nahe der Fläche A- trennt die Stifte 11 bis 15 von der Welle zusammen mit denjenigen Teilen der Federn 16 und 17, welche zwischen den Stiften 12 und 13 und den Stiften IA- und 15 gehalten sind. Die Schnitte nahe der Fläche 5 trennen die Stifte 6 bis 10 vom Block 2, wobei gleichzeitig diejenigen Teile der Federn 16 und 17 abgetrennt werden, die sich zwischen den abgetrennten Teilen der Stifte 7 und 8 und 9 und 10 befinden. Somit ergibt sich ein Aufbau entsprechend den Fig. 1 bis 3.

Die federelastische Verbindungsvorrichtung nach den Fig. 5 und 6 wird von der starren Vorrichtung erzeugt durch Schnitte nahe den Flächen A- und 5 und zwischen den Federarmen der Federn. Die Schnitte nahe den Flächen A und 5 trennen die Stifte 12 bis 15 und die entsprechenden Abschnitte der Federn und 17 zwischen den Stiften IA- und 15 von der Welle 1 und dem Block 2 ab. Die Schnitte nahe der Fläche 5 trennen die Stifte 6 und 11 vom Block 2, während diejenigen Schnitte zwischen

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den Federarmen die Stifte 7 bis 10 in die Stiftabschnitte 7¹ bis 10', getragen von der Welle 1, und 7'¹ bis 10'' getragen vom Block 2, trennt, so daß sich ein Aufbau gemäß
den Fig. 5 und 6 ergibt.

Die so hergestellten elastischen Verbindungsvorrichtungen dienen u, a. dazu, in einem Gyroskop gemäß Fig. 8 eingebaut zu werden. Der Gyroskop gem. Fig. 8 verwendet zwei derartige federelastische Verbindungsvorrichtungen,

Gemäß Fig. 8 ist der Kardanring 101 des Gyroskops drehbar in einem zylindrischen Gehäuse 102 angeordnet, wobei Drehungen um die Längsachse 103 des Gehäuses 102 ausgeführt
werden können. Der Kardanring 101 ist mit dem Gehäuse 102 verbunden durch zwei einander gegenüberliegende federelastische Verbindungsvorrichtungen 104· und 105. Bei einer winkelmäßigen Verdrehung des Kardanringes 101 um die Ache erzeugen diese Verbindungsvorrichtungen ein elastisches
Rückstellmoment. Ein induktiver Meßwertaufnehmer 107, bestehend aus einem ferromagnetischen Stator 108 am Gehäuse 102 und einem ferromagnetischen Rotor 109 am Kardanring ermöglichen die Messung der winkelmäßigen Verdrehung des
Kardanrings 101 relativ zum Gehäuse 102 mittels eines Wechselstromes .

Ein elektrisch angetriebener Rotor 110 des Gyroskops wird vom Kardanring 101 getragen und wird drehbar gelagert von einem H-förmigen hydrodynamischen gasgeschmierten Lager 111, welches im Kardanring 101 angeordnet ist, so daß der Rotor um die Längsachse 112 drehbar ist, wobei diese Längsachse rechtwinklig zur Achse 103 verläuft. Dreht der Rotor 110
um die Achse 112, dann wird jede winkelmäßige Bewegung des

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Gehäuses 102 um die Achse 113, welche rechtwinklig zu den beiden Achsen 103 und 112 verläuft, umgesetzt in eine Drehbewegung des Kardanrings 101 um die Achse 103. Die Präzession, die sich hierbei ergibt, wird von den federelastischen Verbindungen 10A- und 105 aufgenommen, so daß die resultierende winkelmäßige Drehung des Kardanrings 101 um die Präzessionsachse 103 in Übereinstimmung ist mit der winkelmässigen Geschwindigkeit, mit welcher das Gehäuse 101 um die Achse 113 dreht. Der Meßwertaufnehmer 107 gibt ein mit dieser winkelmäßigen Drehung übereinstimmendes elektrisches Wechselstromsignal ab, welches zwischen den Ausgangsanschlüssen 11A- und 115 liegt.

- 13 Ansprüche

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Claims

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Ansprüche

Federelastische Verbindungsvorrichtung zwischen zwei gegeneinander verdrehbaren Bauteilen, bestehend aus zwei bei Verdrehungen eine Rückstellkraft erzeugenden Federn, von denen jede mit ihrem einen Ende am einen Bauteil und mit ihrem anderen Ende am anderen Bauteil befestigt ist, dadurch gekennzeichnet , daß jedes der Bauteile Stiftpaare trägt und jede der Federn mit ihrem einen Ende zwischen einem Stiftpaar des einen Bauteils und mit ihrem anderen Ende zwischen einem Stiftpaar des anderen Bauteils angeordnet ist.
2. Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen der beiden Federn einander unter einem rechten Winkel schneiden, wobei die Schnittlinie jeweils bei der halben Federlänge verläuft.
3. Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei chnet , daß jedes der Bauteile mindestens einen weiteren Stift trägt, der zusammen mit einem Stiftpaar des jeweils anderen Bauteils als Anschlag zur Begrenzung des Verdrehwinkels dient.
4-. Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stiftpaar des einen Bauteils mit einem Stiftpaar des anderen Bauteils fluchtet, wenn die Verbindungsvorrichtung sich in Grundstellung befindet, und daß jede Feder zwei parallele Federarme auf-

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weist, die an einem Ende miteinander verbunden sind und daß das andere Ende jedes Federarms von jeweils einem der Stiftpaare gehalten wird.
5. Verfahren zur Herstellung einer federelastischen Verbindung gemäß einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet , daß als erster Schritt vier Stiftpaare mit einem Ende am einen Bauteil befestigt werden, jedes Ende jeder Feder zwischen zwei Stiften befestigt wird, danach die anderen Enden der vier_Stiftpaare am anderen Bauteil befestigt werden und danach jedes Stiftpaar so abgeschnitten wird, daß jede Feder mit einem Ende zwischen einem Stiftpaar eines der Bauteile und mit dem anderen Ende zwischen einem Stiftpaar des anderen Bauteils angeordnet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei benachbarte Stiftpaare nahe dem einen Bauteil und die beiden anderen Stiftpaare nahe dem anderen Bauteil abgeschnitten werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Feder zwei parallele Federarme aufweist und daß ein Ende beider Federarme jeder Feder zwischen einem ersten Stiftpaar zweier benachbarter Stiftpaare und das andere Ende beider Federarme jeder Feder zwischen einem anderen Stiftpaar zweier benachbarter Stiftpaare angeordnet wird, sodann die einen benachbarten Stiftpaare zwischen den Federarmen und die beiden anderen Stiftpaare jeweils nahe der Bauteile durchtrennt werden.

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