DE2732574A1

DE2732574A1 - Drehgekoppelte winkelgeschwindigkeitsempfindliche inertial-sensoren mit montagestruktur und verfahren zu deren herstellung und anbringung

Info

Publication number: DE2732574A1
Application number: DE19772732574
Authority: DE
Inventors: Harold F Erdley
Original assignee: Teledyne Industries Inc
Current assignee: TDY Industries LLC
Priority date: 1976-02-08
Filing date: 1977-07-19
Publication date: 1978-02-16
Also published as: FR2360876A2; US4126046A; GB1553488A

Description

T 1269

"Drehgekoppelte Winkelgeschwindigkeitsempfindliche Inertial-Sensoren mit Montage-Struktur und Verfahren zu deren Herstellung und Anbringung"

Die vorliegende Anmeldung ist eine Zusatz-Patentanmeldung zur gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit dem Titel "Drehgekoppelte winkelgeschwindigkeitsempfindliche Inertiäl-Sensoren mit oder ohne Beschleunigungserfassung und Verfahren zu deren Herstellung", die am 16. August 1976 mit dem Aktenzeichen F 26 37 238.3 angemeldet wurde.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Präzisionsinertialinstrumente und insbesondere auf sich drehende, mechanisch abgestimmte Kreisel- und/oder Akzelerometer-Vorrichtungen.

Die vorliegende Erfindung schafft Einrichtungen und Verfahren zur Ausschaltung einer wesentlichen Ursache von

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Störungen und Fehlern in einer bestimmten Kategorie von Inertial-Sensoren durch bestimmte Veränderungen und Zusätze an deren Aufbau. Damit wird es möglich, Inertial-Sensoren zur Erzeugung zweiachsiger Winkelgeschwindigkeits- und zweiachsiger Beschleunigungsinformation mit einem einzigen Nachweiselement zu verwenden. Sie Erfindung kann auch in verschiedenen bekannten Vorrichtungen verwendet werden, um eine der schwerwiegendsten Fehlerquellen in diesen Vorrichtungen auszuschalten, nämlich Drehmomente, die von Schwingungen mit der doppelten Drehfrequenz erzeugt werden.

Bestimmte bekannte Vorrichtungen und ihre Nachteile . sind in der oben erwähnten Stammanmeldung kritisch gewürdigt worden und werden in der vorliegenden Anmeldung nicht nochmals behandelt.

Wie in der oben erwähnten Stammanmeldung ausgeführt, sind drehgekoppelte winkelgeechwindigkeitsempfindliche Inertial-Sensoren mit abgestimmter Aufhängung normalerweise durch eine lineare Kennlinie für die doppelte Drehfrequenz und eine Winkelgeschwindigkeiteempfindlichkeit gekennzeichnet. Schaltet man die Winkelgeschwindigkeitsempfindlichkeit aus, so lassen sich derartige Vorrichtungen zur Erzeugung brauchbarer Signale bei der doppelten Drehfrequenz verwenden, die in Bezug auf ein am Gehäuse befestigtes Koordinatensystem gemessen wird. Durch Pendelausbildung des Rotors und durch Verwendung von Signalen, die sowohl um die Nullfrequenz als auch um die doppelte Drehfrequenz herum

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zentriert sind, lassen sich Sensoren zur Erzeugung von Information für die zweiachsige Drehgeschwindigkeit und die zweiachsige Beschleunigung herstellen.

Die Empfindlichkeit für Winkelschwingungen mit der doppelten Drehfrequenz anderer abstimmbarer Inertial-Sensoren wird dadurch verringert, daß man eine entgegengesetzt gleichgroße Drehmomentenkomponente in Abhängigkeit von der gleichen Eingangsschwingung erzeugt. Erreicht wird dies dadurch, daß man die Läuferaufhängung winklig gegen eine zur Drehachse rechtwinklige Ebene versetzt und der Wellenanordnung ein Trägheitsprodukt bestimmter Größe und Orientierung erteilt. Das Trägheitsprodukt moduliert Winkelschwingungen der doppelten Drehfrequenz der Welle um eine zur Drehachse orthogonale Achse mit der Drehfrequenz der Welle, um eine Winkelstörung der Welle um die Drehachse hervorzurufen. Diese Winkelstörung bewirkt zusammen mit der Neigung der Läuferaufhängung, daß eine kompensierende Drehmomentkomponente der doppelten Drehfrequenz am Läufer erzeugt wird; diese Komponente läßt sich einstellen durch Einregelung von Größe und Lage des Trägheitsprodukts auf der Welle. Trotz dieses Trägheitsprodukts läßt sich das dynamische Gleichgewicht der Welle aufrecht erhalten, indem man ein gleichgroßes entgegengesetztes Trägheitsprodukt so an die Welle ankoppelt, daß eine Winkeldrehvuig der Welle um die Drehachse bei einer Federbegrenzung möglich ist. Diese ausgleichende Trägheitswirkung kann ferner dazu

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verwendet werden, Winkelstörungen der Drehgeschwindigkeit der Welle zu absorbieren, die von anderen Ursachen herrühren; dazu wird die Kombination aus der ausgleichenden Trägheitswirkung und der Torsionsfeder auf eine Eigenfrequenz abgestimmt, die gleich der Drehgeschwindigkeit ist.

Gemäß einer weiteren, in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Abwandlung erhält man eine Kompensation der hauptsächlich von den Drehlagerungen erzeugten Linearschwingungen mit der doppelten Drehfrequenz dadurch, daß man entweder die Lagerungen in einer verhältnismäßig weichen Befestigung anbringt, oder daß man den sich nicht drehenden Teil des Instrumentengehäuses an einer Aufhängung anbringt, die auf die doppelte Drehfrequenz im Translationsbetrieb abgestimmt ist. Eine weitere Verkleinerung der Empfindlichkeit für Winkelschwingungen mit der doppelten Drehfrequenz läßt sich erreichen durch eine verhältnismäßig weiche Montage der Lagerungen und/oder der Halterung des Instrumentengehäuses an einem Aufhängungssystem, das auf die Winkelschwingungen mit der doppelten Drehfrequenz abgestimmt ist· Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und Verfahren zum dynamischen Ausgleich der Drehanordnungen werden im folgenden beschrieben.

Figur 1 ist ein schematischer Querschnitt eines bekannten Aufhängungssystems in einem Instrument·

Figur 2 1st ein Querschnitt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

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Figur 5 ist ein Querschnitt einer anderen Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur A ist ein teilweiser Querschnitt und zeigt eine Form der Struktur für die in Figur 2 dargestellte Ausführungsform.

Figur 5 stellt die in Figur 4 dargestellte Struktur von oben gesehen dar.

Figur 6 ist ein teilweiser Querschnitt einer Form des Instruments in der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform·

Figur 7 ist eine vergrößerte endseitige Ansicht des ausgleichenden Schwungrads der Figur 6.

Figur θ ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer Begrenzung mit Hilfe einer kreuzförmigen Torsionsfeder für das in Figur 4 dargestellte Befestigungssystem.

Im folgenden werden nun die zusätzlichen Einrichtungen der vorliegenden Erfindung und die hiermit erreichten Torteile beschrieben.

Sie vorliegende Erfindung und die in der gleichzeitig anhängigen Stammanmeldung beschriebene Drehkopplung ermöglichen es, die Empfindlichkeit mechanisch abgestimmter Sensoren auf Eingangssignale mit der dopppelten Drehfrequenz auszuschalten. Wie in der oben erwähnten Stammanmeldung erläutert, ergeben Winkelschwingungen mit der doppelten Drehfrequenz sowohl ein konstantes Drehmoment als auch ein Drehmoment mit der doppelten Drehgeschwindigkeit am Läufer (d.h. in Bezug auf ein am Gehäuse befestigtes Bezuge-

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system); durch die Drehkopplung wird es möglich, eines dieser beiden Drehmomente, jedoch nicht beide gleichzeitig, auszuschalten bzw. auf minimale Werte zu reduzieren. Da in der ersten Ausführungsform einer in der Stammanmeldung beschriebenen Sensoren-Anordnung der Läufer pendelnd ausgeführt ist, sodaß brauchbare Information sowohl von den Ablenkungen des Läufers als auch von seinen Schwingungen mit der doppelten Drehgeschwindigkeit erhalten werden kann, ist es zweckmäßig die beiden am Läufer auftretenden Drehmomente über die Winkelschwingungen mit der doppelten Drehgeschwindigkeit zu steuern. Da ferner der Läufer pendelnd ausgeführt ist, ergeben lineare Schwingungen mit der doppelten Drehgeschwindigkeit am Läufer Drehmomente mit der doppelten Drehgeschwindigkeit, wobei diese Drehmomente sich mit den Prinzipien der Drehkopplung (d.h. mit einer Kombination

einer radialen Unwucht der Welle und einer winkligen Läuferlassen
aufhängung) einregeln^ Dabei wird dann am Läufer ein konstantes Drehmoment erzeugt. Es sollten beide Drehmomente eingeregelt werden, um das beste Betriebsverhalten der Sensoren-Anordnung in ihrer bevorzugten Ausführungsform zu erhalten. Die vorliegende Erfindung ist auf dieses Ziel abgestellt.

Die vorzugsweise Form des Sensors zur Verwendung in der vorzugsweisen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist schematiech in Figur 4 der Stammanmeldung dargestellt, doch werden bestimmte zusätzliche, im folgenden

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beschriebene Teile verwendet. Die Empfindlichkeiten auf Winkelschwingungen mit der doppelten Drehgeschwindigkeit werden entsprechend den Gleichungen der Stammanmeldung eingestellt, um das auf den Läufer ausgeübte Drehmoment der doppelten Drehgeschwindigkeit so klein als möglich zu machen. Nachdem dies erreicht ist, hat die folgende Erfindung noch zum Ziel: 1. Das konstante, auf den Läufer ausgeübte, von Winkelschwingungen mit der doppelten Drehgeschwindigkeit erzeugte Drehmoment zu reduzieren; 2. das auf den Läufer ausgeübte Drehmoment mit der doppelten Drehgeschwindigkeit, das von Winkelschwingungen mit der doppelten Drehgeschwindigkeit herrührt, weiter über den Wert hinaus zu reduzieren, der sich leicht durch mechanische Einstellungen mit Hilfe von Drehkopplung erzielen läßt; und 3. die auf den Läufer ausgeübten Drehmomente der doppelten Drehgeschwindigkeit zu reduzieren, die von linearen Schwingungen mit der doppelten Drehgeschwindigkeit herrühren.

Figur 2 zeigt eine Ausführungsform, mit der das gewünschte Ergebnis erhalten werden kann. Hierbei handelt es sich bei dem Instrument 100 um das unter Bezugnahme auf Figur 4 der Stammanmeldung beschriebene; das Gehäuse 102 des Instruments ist an das Gehäuse 102 über einen Befestigungswinkel 104 angekoppelt, wobei im mechanischen Aufbau eine federnde Halterung mit Hilfe von den in Figur 2 schematisch dargestellten Federn 106 erzielt wird. Die Federn 106 werden entsprechend der Masse und der Trägheit des nichtrotierenden

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Abschnitts dee Instruments 100 bertessen, sodaß die Eigenfrequenz des nichtrotierenden Abschnitts des Instruments längs jeder zur Drehachse senkrechten Achse gleich ist der doppelten Drehgeschwindigkeit, und daß ferner die Eigenfrequenz um irgendeine Achse senkrecht zur Drehachse ebenfalls gleich ist der doppelten Drehgeschwindigkeit, d.h. die Eigenfrequenzen sowohl der linearen Schwingungen als auch der Winkelschwingungen des nichtrotierenden Abschnitts des Instruments sind gleich der doppelten Drehgeschwindigkeit.

Dies hat die folgenden Auswirkungen. Von den Lagern 108 herrührendes "Lagerrauschen¹· mit der doppelten Drehfrequenz ergibt eine Störung mit der doppelten Drehfrequenz zwischen dem rotierenden Abschnitt und dem nichtrotierenden Abschnitt der Anordnung. Da der nichtrotierende Abschnitt jedoch auf diese Frequenz abgestimmt ist, ist die mechanische Impedanz des nichtrotierenden Abschnitts sehr gering, sodaß sich lineare Schwingungen und/oder Winkelschwingungen mit der doppelten Drehgeschwindigkeit am nichtrotierenden Abschnitt des Instruments auf das Lagerrauschen hin ergeben, ohne daß es jedoch zu einer einen Fehler erzeugenden Schwingung des rotierenden Abschnitts kommt. Da ein Montagesystem mit einem ziemlich hohen Q-Wert mit den Federn 106 leicht geschaffen und abgestimmt werden kann, und da die an den Wellen befestigten Nassen und Trägheiten von der gleichen Größenordnung wie in bekannten Anordnungen Bind, kann die Verringerung der vom Lagerrauschen mit der doppelten

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Drehfrequenz an der Welle 110 erzeugten linearen Schwingungen und Schwingungen um einen Winkel der doppelten Drehfrequenz von mehr als eine Größenordnung mit dieser Art abgestimmter Befestigung erreicht werden.

Um die verschiedenen Schwingungen der doppelten Drehgeschwindigkeit zu entkoppeln, ist es zweckmäßig, den Schwerpunkt der Welle in der Mitte zwischen den beiden Lagern anzubringen, und ihn so anzuordnen, daß er mit dem Schwerpunkt des nicht rotierenden Gehäuseabschnitts und dem Hittelpunkt der Federaufhängung zusammenfällt; diese Bedingung muß jedoch nicht notwendigerweise eingehalten werden, wenn es schwierig ist, sie bei einem bestimmten Aufbau einzuhalten.

Dieses Vorgehen ist besonders zweckmäßig im Falle von mit Bügeln befestigten Systemen oder mit Streifen aufmontierten Systemen, da in solchen Anordnungen die eigentliche Montagefläche normalerweise sehr starr und fest ist. Eine Verbiegung der Befestigungsvorrichtung ist deshalb gewöhnlich verhältnismäßig konstant von Fahrzeug zu Fahrzeug, sodaß die Verbiegung richtig in Betracht gezogen werden kann, wenn bei Bedarf die Befestigung des Instruments auf die Frequenzen mit der doppelten Drehgeschwindigkeit abgestimmt wird. Bei den meisten Anwendungsfällen ist das Instrument auf dem Fahrzeug nicht neben anderen Störungsquellen montiert, die Schwingungen mit der doppelten Drehgeschwindigkeit erzeugen. Selbst wenn es Teile gibt, die

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Schwingungen mit der doppelten Drehgeschwindigkeit auf dem Fahrzeug oder in der abgestimmten Befestigung der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform ausführen, ergibt sich keine starke Ankopplung dieser Schwingungen an das rotierende System. Insbesondere ist zwar das Gehäuse allein auf die Frequenzen mit der doppelten Drehgeschwindigkeit abgestimmt, doch gilt diese Abstimmung nicht für das Gehäuse mit dem rotierenden System bei Montage an der Federaufhängung 106. Da die Lagerung verhältnismäßig wenig federnd ist und da die Nasse und die trägen Massen des rotierenden Systems von der gleichen Größenordnung wie die des Gehäuses sind, sind die scheinbare Masse und die scheinbare Trägheit der an der Federaufhängung 106 angebrachten Anordnung bedeutend größer als die entsprechenden Größen des Gehäuses allein, sodaß man Resonanzfrequenzen der linearen Bewegungen und Winkelbewegungen der Gesamtanordnung an der Federaufhängung erhält, deren Frequenz bedeutend unterhalb der doppelten Drehfrequenz liegt (äußere Schwingungen bei diesen Frequenzen ergeben eine beträchtliche Schwingung des gesamten Instruments, doch ist das Instrument praktisch unempfindlich gegen diese Frequenzen, sodaß für die von diesen Schwingungen erzeugten Fehler nur verhältnismäßig schwache Effekte zweiter Ordnung in Frage kommen.).

Figur 4 zeigt eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht eines Instrumente und seiner Befestigung gemäß der schematischen Darstellung der Figur 8. Das Instrument 100

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stimmt im wesentlichen mit dem in Figur 5 aargestellten Instrument der Stammanmeldung überein, doch wird zusätzlich das einfache, in Figur 7 dargestellte Schwungrad verwendet· Auch in dieser Ausführungsform wird das Trägheitsprodukt von einem asymmetrischen Anschlag 112 am Rotor erzeugt; dieser Anschlag kann mit Schrauben 114 verstellt werden (siehe Figuren 4 und 7)· Am Schwungrad 116 sind Gewichte 118 angebracht, mit denen ein gleichgroßes, entgegengesetztes Trägheitsprodukt erzeugt werden kann, um eine dynamische Auswuchtung des rotierenden Systems durchzuführen. Der Außenrand des Schwungrads 116 wird dabei von mehreren flachen, in Radialrichtung von einer Mittelnabe 118 verlaufenden Speichen 120 gehaltert, sodaß winkelmäSig eine Federrate des Trägheitsrads um die Habe erzeugt wird. Durch Einstellung des Verhältnisses aus Federrate und Trägheitsmoment läßt sich das Schwungrad 116 auf die Drehgeschwindigkeit abstimmen, damit es dann Schwingungen der Welle mit der Drehgeschwindigkeit absorbiert, wie oben unter Bezugnahme auf die Drehkopplung beschrieben.

Das Instrument selbst ist an vier Federstäben 122 zur Aufhängung befestigt, die in Figuren 4 und 5 eingezeichnet sind und von denen einer für sich perspektivische vergrößert in Figur 8 dargestellt ist. Der Querschnitt dieser Federstäbe ist kreuzförmig, um die gewünschten Torsionsfederraten zu erzielen; außerdem treten verhältnismäßig steife lineare Federraten auf, die von den Abmessungen des Kreuzes abhängen.

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Wie in Figur 5 dargestellt, sind zwei der Federstäbe 122 zwischen dem Gehäuse des Instruments 100 und einem Kardanring 124 zur Befestigung in einer Achsrichtung angebracht; der Kardanring 124 ist seinerseits an der äußeren Befestigung 126 des Instruments befestigt (in Figuren 4 und 5 nur schematisch angedeutet). Sie gewünschten Federraten für Translationsbewegungen ergeben sich aus der kombinierten Federwirkung der Federstäbe 122 und des Kardanrings 124; letzterer trägt wesentlich zur Federung der Gesamtanordnung bei. Es können auch andere Befestigungen konstruiert werden, die die gewünschten Federraten bei Ablenkung in der Halterungsstruktur ergeben, beispielsweise im Kardanring 124, ohne daß hierbei getrennte und/oder einzeln zu kennzeichnende Sorsionsteile verwendet werden. Man kann damit eine einstückige Befestigung schaffen, mit der eine Verschraubung an zwei oder mehr Befestigungspunkten des Fahrzeugs hergestellt werden kann.

Figur 3 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die rotierende Anordnung dieses Instruments umfaßt einen Rotor 128, ein fest an die rotierende Anordnung angekoppeltes Trägheitsteil 130 und ein kompensierendes Trägheitsteil 132, das über eine Torsionsfeder 134 an die rotierende Anordnung angeschlossen ist und wie in der in Figur 2 dargestellten Anordnung auf die Drehgeschwindigkeit abgestimmt ist. Die rotierende Anordnung umfaßt ferner ein Trägheitsteil 136, das an die verhältnis-

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mäßig sttrre Welle über ein Gebiet mit verkleinertem Durchmesser 138 angeschlossen ist. Das verjüngte Gebiet 136 ergibt eine bestimmte Torsionsfederrate parallel zu irgendeiner Achse, die senkrecht zur Drehachse ist, sodaß die Achse der Trägheitsmasse 136 nicht koachsial mit der Achse des Rests der rotierenden Anordnung mit einer bestimmten Federrate sein muß·

Da sowohl die Feder 138 als auch die Trägheitsmasse 136 symmetrisch sind, sind die Federrate der Feder 138 und die Trägheit der Masse 136 um irgendeine Achse, die senkrecht zur Drehachse der Welle und durch den Mittelpunkt der von Feder 138 geschaffenen Befestigung verläuft, gleich. Wenn zusätzlich das Verhältnis der Federrate der Feder 138 und der Trägheit des Schwungrads 136 richtig gewählt werden, wirkt das Schwungrad als Absorber für Winkelschwingungen mit der doppelten Federfrequenz (Bezugssystem fest am Gehäuse angebracht)· Bei dieser Anwendung wird der Absorber so abgestimmt, daß die folgende Gleichung gilt:

K = 2n²(2A₂ - C₂),

wobei K die Federrate für Winkelschwingungen des Teils 138 um eine zur Drehachse senkrecht verlaufende Achse bedeutet; η die Drehfrequenz bedeutet; A₂ das Trägheitsmoment des die Schwingungen absorbierenden Rades um eine zur polaren Achse senkrechte Achse bezeichnet; und C₂ das polare Trägheitsmoment des die Schwingungen absorbierenden Rades bezeichnet.

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Bei ctiecer Art der Abstimmung hat ein auf die Welle senkrecht zur Drehachse von den Lagern ausgeübtes Drehmoment aus Winkelschwingungen mit der doppelten Drehfrequenz zur Folge, daß das Absorber-Rad 136 schwingt, sodaß die Feder 138 ein gleichgroßes, entgegengesetztes Drehmoment auf die Welle ausübt; dadurch wird die Bewegung der Welle bei schwingenden Auslösebewegungen sehr stark reduziert. Um das Betriebsverhalten des Systems zu verbessern, ist es zweckmäßig, die Lager HO in Bezug auf das Gehäuse 142 mit Hilfe eines schematisch dargestellten Teils 144 v/eich zu montieren. Die weiche Befestigung, mit der Winkel schwingungskräfte mit der doppelten Drehgeschwindigkeit an der Welle möglichst gering gehalten werden, sollte insbesondere nachgiebig sein (d.h. federnd se?.n oder eine verringerte Gegenkraft ausüben), wenn Schwingungen mit der doppelten Drehgeschwindigkeit auftreten, sodaß die äußere Lauffläche (in der ßchematißchen Darstellung der Figur 3) der Lager mit der doppelten Drehgeschwindigkeit schwingt statt festgehalten zu v/erden; ira letzteren Fall wird das Lagerrauschen auf direkterem Weg an die innere Lauffläche und die Welle übertragen. Bei dieser Ausführungsform wird die Lagerbefestigung 124 zv/eckmäßigerweiso auch in Radialrichtung für lineare Schwingungen mit der doppelton Drehfrequenz verhältnismäßig weich ausgebildet, da, wie oben erwähnt, die Ansprocheiripfindlichkeit auf lineare Schwingungen mit der doppelten Drehfrequenz, die durch die fehlende Auswuchtung

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des Rotois (beim Nachweis der Beschleunigung) erzeugt werden, in der vorliegenden Ausführungsform nicht durch Drehkopplung ausgeschaltet wird. Da die äußere Lagerfläche des Drehlagers weich direkt bei den Lagern montiert werden kann, ergibt sich nur eine geringe Trägheit für die Übertragung des Lagerrauschens. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß sich eine Verbesserung (Verringerung) um eine Größenordnung in den Abweichungen (Drift) des Instruments erzielen läßt, wobei die Abweichungen durch lineare, vom Lagerrauschen ausgelöste Schwingungen mit der doppelten Drehfrequenz herrühren. Man kann ferner fast um eine Größenordnung die vom Lagerrauschen herrührenden Winkelschwingungen mit der doppelten Drehgeschwindigkeit verringern, wobei diese Verringerung über die durch Drehkopplung allein erreichbare hinausgeht, da ein Schwingungsabsorber und die weiche Befestigung der Lager zusammen verwendet werden.

Pigur 6 ist ein teilweiser Querschnitt eines typischen Instruments, in dem die Prinzipien der in Pigur 2 dargestellten Ausführungsform verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform ist der untere Abschnitt der Rotoranordnung der gleiche wie im aufgeschnittenen Abschnitt der Pigur 4; die entsprechenden dargestellten Teile werden daher mit den gleichen Bezugsnummerη gekennzeichnet (siehe auch Pigur 5 der Staramanraeldung und die diesbezügliche Beschreibung der Einzelheiten der Wechselgetriebe, Drehmomentengeber etc.). Das Absorberrad 136 für die Schwingungen und die Feder 138

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befinden sich am oberen Ende der Rotoranordnung; Einstellschrauben 146 ermöglichen eine Abstimmung und Auswuchtung des Schwingungsabsorbers. Die Lageranordnung umfaßt ein rohrförmiges Teil HO zur Aufnahme der äußeren Laufflächen der beiden Drehlager und eines dazwischen angebrachten Abstandsstücks. Das Teil 148 wird vom Instrumentengehäuse aus mit Hilfe mehrerer fußartiger Teile gehaltert, die einen in Achsialrichtung verlaufenden Abschnitt 150 und einen radialen Abschnitt 152 umfassen. Durch die Anordnung erhält man eine translatorische und eine winkelmäßige Federungswirkung, sodaß der Hauptteil des Lagerrauschens eine Schwingung der äußeren Lagerflächenanordnung statt der inneren Lagerflächenanordnung ergibt. Eine metallische Halterung der äußeren Lagerflächenanordnung wird vorzugsweise verwendet, um die wahre Lage der Drehachse genauer und besser reproduzierbar zu definieren.

In den beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden die Prinzipien der Drehkopplung dazu benutzt, in einem Sensor für die Beschleunigung und die Winkelgeschwindigkeit längs zweier Achsen die Abhängigkeit des Geschwindigkeitssignals von Winkelschwingungen mit der doppelten Drehfr-equenz dadurch zu reduzieren, daß man eine Instrumentenbefestigung oder eine Drehlagcrbefestigung zusammen mit einem Eusät»liehen Schwin&ungsabsorber am rotierenden System verwendet. Dadurch sollen ferner die Ansprechempfinälichlieit auf Winkel schwingungen mit der

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doppelten Drehfrequenz und die Abhängigkeit des Geschwindigkeitssignals von linearen Schwingungen mit der doppelten Drehfrequenz reduziert werden. Im Zusammenhang mit der Ausführungsform mit dem abgestimmten Befestigungssystem wurde eine zusammengesetzte Struktur beschrieben, obwohl auch Strukturen mit verteilten Federeigenschaften für diesen Zweck verwendet werden können. Bei der Ausführungsform mit einer verhältnismäßig weichen Befestigung der Drehlager im Instrumentengehäuse können auch andere Arten einer weichen Befestigung verwendet werden. (Die Bezeichnungen "weiche Befestigung", "federnde Befestigung" und "verringerter Bewegungsbereich der Lager" sind nur relativ qualifizierend in Bezug auf die äquivalente Federrate der Lager selbst; dabei hat die federnde Befestigung eine Steifheit von etwa einem Zehntel oder weniger der Steifheit der Lager, obwohl nicht notwendigerweise eine Begrenzung auf diesen genauen Bereich vorgenommen werden muß.) Im Prinzip ähneln sich die beider Befestigungsarten. Die abgestimmte Befestigung reduziert die durch die Lager geschaffene Einschränkung der Bewegungsfreiheit dadurch, daß die scheinbare Trägheit des nichtrotierenden Instrumentenabschnitts auf sehr geringe Werte gebracht wird. Die weiche Befestigung der Lager verringert die scheinbare Trägheit und Starrheit des "Instruraentengehäuses", das für die Lager wirksam ist. Ein zusätzlicher, an der Welle angebrachter Schwingungsabsorber vergrößert die scheinbare Trägheit des

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rotierenden Abschnitts des Instruments. Andere Konstruktionen zur Verringerung der Vibrationserapfindlichkeit derartiger Instrumente sind nun dem Fachmann sofort erkennbar. Als spezifisches Beispiel ergibt eine Vorbelastung (Kraftausübung) der äußeren Lauffläche statt der normalerweise benutzten inneren Lauffläche eine Umkehrung des Berührungswinkels der Kugellager, sodaß bei Verwendung eines verhältnismäßig kleinen LagerZwischenraums eine verhältnismäßig leicht federnde Lageranordnung für Drehungen um eine zur Drehachse senkrechte Achee entsteht. Die Federwirkung kann bei einer bestimmten Anordnung dazu ausreichen, die unter Bezugnahme auf Figuren 2-6 beschriebene Federung au erreichen. (Diese Anordnung ist im allgemeinen auf Kugellager beschränkt, doch können andere dargestellte und beschriebene Ausführungsformen auch bei anderen Drehlageranordnungon verwendet werden.) Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung lassen sich auch bei anders aufgebauten Sensoren einsetzen, obwohl die Erfindungsprinzipien speziell für Sensoren geeignet sind, die Information sowohl aus auf das Nachweiselement einwirkenden gehäusefesten Drehmomenten als auch aus Drehmomenten mit der doppelten Drehfrequenz ableiten. Vorzugsweise Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden im einzelnen beschrieben, doch sind dem Fachmann verständliche Abänderxingen an Einzelheiten im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich.

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Claims

TELEDYNE INDUSTRIES, INC.
1901 Avenue of the Stars
Los Angeles, Kalifornien
U. S. A.

P a t e η t a ns ρ r ü c h e

, 1J Abgestimmtes Inertialinstrument, gekennzeichnet durch ein Instrumentengehäuse; eine Welle gehaltert von Lagern, die an das Instrumentengehäuse so angeschlossen sind, daß sie sich um eine Drehachse mit einer bestimmten Drehfrequenz im Instrumentengehäuse drehen können; ein empfindliches Nachweisteil; eine Aufhängung, mit der das empfindliche Nachweisteil an die Welle angekoppelt ist und die Einrichtungen umfaßt, die eine Relativschwingung des empfindlichen Teils gegen die Welle um mindestens eine nicht orthogonal sondern unter einem bestimmten Winkel zur Drehachse angebrachte Achse der Aufhängung zulassen; an die Welle angeschlossene Einrichtungen, die ein Trägheitsprodukt um die Drehachse und um eine zu ihr senkrechte Achse ergeben; und Einrichtungen zur Reduzierung der

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ORIGINAL INSPECTED

scheinbaren winkelmäßigen Bewegungsbegrenzung des nichtrotierenden Abschnitts der Lager in Bezug auf zur Drehachse senkrechte Achsen.
2. Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Reduzierung der scheinbaren winkelmäßigen Bewegungsbegrenzung der nichtrotierenden Lagerabschnitte Federn umfassen, mit denen das Instrumentengehäuse mit bestimmten Federraten der Winkelbewegung in Bezug auf zur Drehachse senkrechte Achsen montiert ist.
3. Instrument nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federrate der Winkelbewegung der Federn zur Befestigung am Instrumentengehäuse und die Trägheitsmomente des Instrumentengehäuses so gewählt werden, daß sich eine Eigenschwingungsfrequenz des Instrumentengehäuses von der doppelten Drehfrequenz in Bezug auf zur Drehachse senkrechte Achsen ergibt.
4. Instrument nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt des Instrumentengehäuses und der Schwerpunkt der rotierenden Anordnung im Instrumentengehäuse auf der Drehachse der zur Befestigung des Instrumentengehäuses verwendeten Federn gelegen sind.
5. Instrument nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Befestigung des Instrumentengehäuses mit einer vorgegebenen linearen Federrate parallel zu Achsen, die senkrecht zur Drehachse sind, wobei die vorgegebene lineare Federrate und die Hasse des Instrumentengehäuses so

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gewählt wurden, daß sie eine translatorische Eigenfrequenz von der doppelten Drehfrequenz in Bezug auf Achsen ergeben, die senkrecht zur Drehachse sind.
6. Instrument nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt des Instrumentengehäuses und der Schwerpunkt der im Instrumentengehäuse rotierenden Anordnung auf dem Stützzentrum der Einrichtungen zur Befestigung des Instruments gelegen sind.
7· Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Verringerung der scheinbaren winkelmäßigen Bewegungsbegrenzung des nichtrotierenden Abschnitts der Lager Einrichtungen umfassen, mit denen der nichtrotierende Abschnitt der Lager an das Instrumentengehäuse angekoppelt ist und die sich bei der Drehung um zur Drehachse senkrechte Achsen federnd verhalten.
8· Instrument nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankopplungseinrichtungen sich ferner bei Verschiebung längs zur Drehachse senkrechten Achsen federnd verhalten.
9· Instrument nach Anspruch 7t gekennzeichnet durch eine träge Masse und Ankopplungseinrichtungen für die träge Masse, mit denen diese über eine Feder an die Welle angeschlossen wird, um eine von der Feder begrenzte Abweichung der Drehachse der trägen Masse von der Drehachse zuzulassen.
10. Instrument nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägheitemomente der trägen Masse und die Federrate

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der Einrichtungen zur Ankopplung der trägen Masse so gewählt werden, daß die träge Masse auf die doppelte Drehfrequenz abgestimmt ist, wenn die Welle mit der Drehfrequenz rotiert«
11. Abgestimmtes Inertialinstrument, gekennzeichnet durch ein Instrumentengehäuse; eine Welle, die in Lagern gelagert ist, die an das Instrumentengehäuse so angekoppelt sind, daß sie sich mit einer bestimmten Drehfrequenz im Instrumentengehäuse um eine Drehachse drehen können; ein Nachweiselement mit mindestens einer empfindlichen Hauptachse, die in Bezug auf das Nachweiselement fest ist; eine Aufhängung zur Ankopplung des Nachweiselements an die Welle mit Einrichtungen, die eine Relativschwingung des Nachweiselements zur Welle um mindestens eine Aufhängungsachse zulassen, wobei die Aufhängungeachee nicht orthogonal sondern unter einem bestimmten Winkel zur Hauptachse des Nachweiselements gelegen ist; an die Welle angekoppelte Einrichtungen, die ein Trägheitsprodukt in Bezug auf die Drehachse und eine zu ihr senkrechte Achse ergeben; und Einrichtungen zur Verringerung der scheinbaren Winkelbegrenzung des nichtrotierenden Abschnitts der Lager in Bezug auf Achsen, die zur Drehachse senkrecht sind.
12. Inertialinstrument, gekennzeichnet durch eine Welle zur Drehung um eine Drehachse mit einer vorgegebenen Drehfrequenz; einen Rotor mit ersten, zweiten und dritten orthogonalen Hauptachsen, wobei die dritte Hauptachse mit der Drehachse fluchtet und der Rotor verschiedene Trägheltsmo-

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momente un. die erste und die zweite Hauptachse hat; eine Aufhängung zur Ankopplung des Rotors an die Welle, wobei die Aufhängung erste und zweite Torsionsfederraten um die Achsen der ersten bzw. zweiten Aufhängung hat und ihre Achsen nicht orthogonal zur Drehachse sondern unter einem bestimmten Winkel dazu gelegen sind und der Rotor ein bestimmtes Pendelmoment in der Richtung der ersten Hauptachse in Bezug auf das HaiterungsZentrum der Aufhängung hat; an der Welle befestigte Trägheitseinrichtungen, die ein Trägheitsprodukt um die Drehachse und eine zu ihr senkrechte Achse ergeben; und Einrichtungen zur Verringerung der scheinbaren Winkelbegrenzung des nichtrotierenden Abschnitts der Lager in Bezug auf Achsen, die zur Drehachse senkrecht sind.
13. Instrument nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur dynamischen Auswuchtung der rotierenden Anordnung mit auswuchtenden Trägheitseinrichtungen, deren Trägheitsprodukt so gewählt ist, daß das Gesamtträgheitsprodukt der drehenden Anordnung verschwindet, wobei die Einrichtungen zur dynamischen Auswuchtung der drehbaren Anordnung an die Welle über eine Torsionsfeder angekoppelt sind, deren Torsionsachse praktisch parallel zur Drehachse verläuft, um eine der Drehfrequenz praktisch gleiche Resonanzfrequenz in Bezug auf die Welle und um die Torsionsachse zu erzeugen.

14· Instrument nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

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daß das Instrument so abgestimmt ist, daß die folgenden Gleichungen gelten:

K₁ + Κ« ρ f ₁

-~—= = N 2(A + B + C) + ^(A₁ +B₁- C₁) +

C(C₁ + C₈)tg²« j
2(C + C₁ + C₈) J

_N2f C(C₁ + C )tg²« I K₂-K

^- A₁ +B₁-C₁ - 2 + -=—

2 L 1 ^{1 1} 0+C₁ +C J 2

= 0

J 2

A₁ + B₁ - C₁

= A + B - C + — 2 1

C + C₁ + C₈ 2

wobei A, B und C die Trägheitsmomente des Rotors um die erste bzw. zweite bzw. dritte Hauptachse bezeichnen; A₁, B₁ und C₁ die Trägheitsmomente einer eventuelle verwendeten Kardan-Aufhängung bezeichnen und die erste und die zweite Federrate um Achsen ergeben, die parallel zur ersten, zweiten und dritten Hauptachse des Rotors sind; N die Drehfrequenz bezeichnet; K₁ und Kp die erste bzw. die zweite Torsionsfederrate bezeichnen; C_ das Trägheitsmoment der

Welle um die Drehachse bezeichnet; D₀ die Größe des Träg-

^ß heitsprodukts der Schwungmasse bezeichnet; und <x der vorbestimmte Winkel ist.

801807/0680

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