DE3005521A1

DE3005521A1 - Biegeelement-tragbaugruppe fuer einen kreisel-messfuehler mit lagerfreiem rotor

Info

Publication number: DE3005521A1
Application number: DE19803005521
Authority: DE
Inventors: Damon Harlon Duncan
Original assignee: Sperry Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1979-02-14
Filing date: 1980-02-14
Publication date: 1980-09-11
Also published as: US4269072A; FR2449268A1; CA1129685A; IT8047824A0; IT1126933B; GB2042723A; JPS6363841B2; JPS55107913A

Description

Päterrtanwäfte D: ρ!. -1 η g. C u rt W a 11 a c h

Dipl.-Ing. Günther Koch

<* Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum:

Unser Zeichen: l6 820 - Fk/Vi

Biegeelement-Tragbaugruppe für einen Kreisel-Meßfühler mit lagerfreiem Rotor

Die Erfindung bezieht sich auf eine Biegeelement-Tragbaugruppe für einen dynamisch abgestimmten Kreisel-Meßfühler mit einem an Biegeelementen aufgehängten lagerfreien Rotor und insbesondere auf zwei Kardanrahmen bildende Biegeelement-Tragbaugruppen für Kreisel-Meßfühler sowie auf Verfahren zur Herstellung dieser Tragbaugruppen.

Kreisel mit lagerfreiem Rotor sind beispielsweise in den US-Patentschrift 3 529 477 beschrieben^während dynamisch abgestimmte Kreisel mit lagerfreiem Rotor beispielsweise in der Literaturstelle "The Dynamically Tuned Free Rotor Gyro", E.W. Howe und P.H. Savet, Control Engineering, Juni 1964 Seiten 67 bis 72, und in den US-Patentschriften 3 678 764 und 3 943 778

sind .

beschrieben/. Weiterhin sind Biegeelement-Tragbaugruppen mit zwei Kardanrahmen für derartige Kreisel in den US-Patentschriften 3 832 906 ; 3 856 366 ; 3 943 778 ; 4 062 600 ; und 4 100 8I3 beschrieben.

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Bei bekannten Biegeelement-Tragbaugruppen gemäß der letzteren Gruppe der vorstehend genannten Patentschriften, wie sie typischer'..^ise in Pig. IA der Zeichnungen gezeigt sindywird jede der vier Biegeelement-Klingen jedes der beiden Kardanrahmen dadurch gebildet, daß zwei Löcher sehr nah aneinander derart maschinell eingearbeitet werden, daß ein sehr dünner allgemein tangentialer Wandabschnitt t in der Größenordnung von 0,025 bis 0,05 mm zwischen den Löchern verbleibt. Diese Form der Kon struktion weist mehrere konstruktive Nachteile auf, die im folgenden erläutert werden.

Das Vorhandensein von Materialfehlern in den Biegeelementen ist ein mögliches Problem bei diesen bekannten Biegeelement-Tragbaugruppen. Diese Biegeelement-Tragbaugruppen werden aus einem oder zwei relativ großen Materialstücken hergestellt, die die erforderlichen physikalischen Eigenschaften des Fertigproduktes aufweisen. Obwohl relativ saubere Legierungen durch heutige Vakuumschmelztechniken erzielt werden können, ist immer ein gewisser Mangel an Homogenität möglich. Eine Fehlstelle oder ein Materialfehler in einem der dünnen Biegeelemente kann zum Verlust der gesamten Baugruppe während des Herstellungsvorganges und/oder zum Ausfall des Instrumentes im Betrieb führen.

Die Wahrscheinlichkeit von Biegeelement-Schäden während des Herstellungs- und Eichvorganges ist bei bekannten Konstruktionen hoch. Wie dies aus Fig. IA zu erkennen ist müssen die Löcher mit dem Durchmesser D gebohrt, aufgeweitet, geräumt und poliert werden, um äußerst pr^zi^se Abmessungen zu erzielen. Weil die Wandstärke t des Biegeelementes in der Größenordnung von 0,025 bis 0,05 mm liegt, müssen diese Bearbeitungen mit großer Sorgfalt durchgeführt werden, um eine dauernde Verformung oder andere Schäden an den Biegeelementen zu verhindern. Wenn die EDM-Technik, also eine elektrische Funkenerosionsbearbeitung verwendet wird so können einen Ausgangspunkt bildende..Löcher genau ohne Beanspruchung der Biegeelemente hergestellt werden; es ergeben sich

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jedoch zusätzliche Probleme. Beispielsweise wird eine dünne Materialschicht j die als Umschmelzschicht bekannt ist, gebildet, in der Oberflächensprünge und metallurgisch geändertes Material vorhanden sind. Wenn diese Umschmelzschicht (die typischerweise eine Dicke von 0,025 mm aufweist) nicht entfernt wird, so weist das Biegeelement eine stark verringerte Ermüdungslebensdauer auf. Daher muß die Umschmelzschicht durch polieren, ätzen.oder auf andere Weise entfernt werden, wodurch die Herstellung der Biegeelement-Tragbaugruppen komplizierter wird und die Herstellungskosten vergrößert werden. Dies trifft auch für Biegeelemente zu, die mit Hilfe von elektrischen Entladungsbearbeitungstechniken in anderen Formen hergestellt werden, als in Form der zwei Löcher.

Die für eine eine gute Qualität aufweisende Biegeelement-Tragbaugruppe bekannter Art erforderliche Prezisionsbearbeitung ist schwierig, zeitraubend und kostspielig. Die Biegeelement-Federkonstanten, die für miniaturisierte, eine niedrige Drehzahl aufweisende; dynamisch abgestimmte Kreisel erforderlich sind, liegen typischerweise bei 0,045 mm Kg/radian pro Biegeelement, oder darunter. Weil die Miniaturisierung den grundlegenden Lochdurchmesser D auf ungefähr 1,2 mm begrenzt,beträgt die wirksame Länge 1 des Biegeelementes ungefähr 0,25 mm. Entsprechend muß die Dicke t des Biegeelementes äußerst gering sein, üblicherweise kleiner als 0,025 mm, damit die erforderliche Federsteifigkeit oder Federkonstante erzielt wird. Weiterhin sollte die Federsteifigkeit aller Biegeelemente der vollständigen Kardanrahmen-Biegeelement-Tragbaugruppe, die zumindestens 8 Biegeelemente umfaßt, sehr weitgehend gleich sein und der Winkelabstand der Biegeelement-Achsen muß sehr genau sein, damit der Drehmomentausgleich (torque rectification) auf Grund von Schwingungen bei der Frequenz 2 χ N soweit wie möglich verringert wird. Typischerweise erfordert die Anpassung der einzelnen Federsteifig_keiten aneinander die Entfernung von zusätzlichen Material von den Biegeelement-Klingen im Eichschritt.

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Die Kompliziertheit der Trägheitsabstimmung und der Kardanrahmeneinstellungen hinsichtlich des Schwerpunktes trägt bei den bekannten Konstruktionen zu den hohen Kosten bei. Bei den bekannten, zwei Kardanrahmen bildenden Biege element<*Tragbaugruppen werden die. Trägheitsmomente und die Schwerpunkte jedes Kardanrahmens so eingestellt, daß sich eine Aufhebung der Federsteifigkeiten oder Pederkonstanten bei der gewünschten Betriebsdrehzahl N und eine Aufhebung der Ausgleichsdrehmomente auf Grund von linearen und/oder Winkelschwingungen bei Frequenzen von 2 χ Ν ergibt. Beispielsweise ruft jeder Kardanrahmen einen Drehmomentausgleich auf Grund von 2 χ N Schwingungen^der Vibrationen hervor;doch sind die Ausgleichsdrehmomentvektoren in ihrer Größe gleich^jedoch in ihrer Richtung entgegengesetzt so daß sie einander aufheben, vorausgesetzt, daß die Federsteifigkeiten oder Federkonstanten, der Abstand der Biegeelement-Achsen, die Trägheitsmomente und die Schwerpunkte der Kardanrahmen hinsichtlich dieser Charakteristik sorgfältig angepaßt sind. Bei bekannten Kreiseln erfolgten die Trägheitsmoment- und Schwerpunkts-Einstellungen mit Hilfe einer Vielzahl von einstellbaren Ausgleichsgewichten an beiden Kardanrahmen wobei diese Gewichte Schrauben aufweisen, die in Axialrichtung in einer Vielzahl von Gewindebohrungen um den Umfang des Kardanrahmens herum einstellbar sind.Diese Anordnung mit Ausgleichsgewichten erfordert die preziese Anordnung, das preziese Bohren und das Gewindeschneiden der Kardanrahmenbohrungen (bis zu 8), wodurch die Herstellungskosten vergrößert werden und eine komplizierte und zeitraubende Einstellung jeder Schraube erforderlich ist.

Bei bekannten Biegeelement-Tragbaugruppen sind keine Maßnahmen zum Auswuchten des Kreisels zur möglichst weitgehenden Verringe*· rung des Drehmomentsausgieichs auf Grund von sychronen Schwingungen entlang der Laufachse bei Frequenzen von IxN vorgesehen. Dieses Fehlerdrehmoment ergibt sich aus der Tatsache, daß die radiale Lage des Schwerpunktes des Kreiselrotors nicht mit dem Mittelpunkt der Halterung auf Grund des .Biegeelement-Halterungssystems zusammenfällt. Bei fehlender Eichung können Fehler dieser Art eine Größe von bis zu 100°/h-pro g der Schwingungsamplitude erreichen. Eine richtige Eichung wird dadurch erzielt, daß die

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Baugruppe bei Frequenzen von 1 χ Ν in Schwingungen versetzt wird und der Rotor ausgewuchtet wird, um diese Wirkung soweit wie möglich zu verringern. Weil dies zu einem synamischen Gesamt-Drehauswuchtfehler des Kreisels führt, müssen Maßnahmen getroffen werden, um diese Unwucht durch ein "wellenfestes" Auswucht system zu korrigieren.

Weiterhin werden bei bekannten Biegeelement-Tragbaugruppen die mit der Laufwelle verbundenen Kardanrahmen aus Rohlingen hergestellt, die von der Welle getrennt sind und die danach an der Welle befestigt werden. Diese Technik kann zu Pehlausrichtungen der Biegeelement-Achsen gegenüber der Laufachse des Kreisels führen, wodurch die Öesamt-Betriebseigenschaften des Kreisels insbesondere bei Vorhandensein von dynamischen Eingängen verschlechtert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Biegeelement-Tragbaugruppe der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Biegeelement-Tragbaugruppe zu schaffen, bei dem die oben erwähnten und andere Probleme bekannter Biegeelement-Tragbaugruppen beseitigt sind, so daß sich eine einfachere Herstellung und verbesserte Betriebseigenschaften ergeben«

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. 10 angegebene Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Uttteransprüchen,

Bei der bevorzugten Ausführungsform,die im folgenden noch näher erläutert wird, umfä&t jedes Biegeelement eine getrennte Klinge, die aus einen dünnen, eine hohe Festigkeit aufweisenden Metallblech mit Pedereigensöhaften hergestellt ist* wie es beispielsweise unter dem Warenzeichen Elgiiös? vortrieben wird,so daß sich eine Homogenität des Materials, eine präzljäe Festlegung der

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Stärke des Biegeelementes und eine vorhersagbare und gleichförmige Federkonstante für alle Biegeelemente der fertigen Baugruppe ergibt. Diese getrennten Klingen werden dann in" entsprechend dünne Schlitze in den Kardanrahmen derart eingesetzt, daß sie Spalte mit gleicher Länge überbrücken, die zwischen den Kardanrahmen und den zylindrischen Tragbauteilen des Rotors und der Rotorwelle ausgebildet sind. Die Klingen werden danach an ihrem Platz beispielsweise durch Kleben, Schweißen, Hartlöten oder dergleichen befestigt. Bei der hier beschriebenen Biegeelement-Tragbaugruppe mit zwei Kardanrahmen wird der eine Kardanrahmen als äußerer Kardanrahmen oder Außenrahmen bezeichnet während der andere Kardanrahmen als innerer Kardanrahmen oder Innenrahmen bezeichnet wird. Jeder dieser .Kardanrahmen wird aus einem zylindrischen Rohling hergestellt, wobei der zylindrische Rohling für den Innenrahmen an dem Ende der Laufwelle als einstückige Verlängerung dieser Laufwelle ausgebildet wird, so daß eine Ausrichtung der Achsen des Kardanrahmens und der Welle sichergestellt ist.' Der Innendurchmesser des Rohlings für den Außenrahmen und der Außendurchmesser für den Rohling des Innenrahmens sind nahezu gleich,so daß der Letztere in den Ersteren mit minimalen Spiel paßt.

Jeder Kardanrahmen, der in Längsrichtung in der Mitte-je.des zylindrischen Rohlings und schließlich koplanar zu den anderen Kardanrahmen liegt, wird aus dem Rohling dadurch hergestellt, daß Schlitze mit Hilfe des Funkenerosionsverfahrens (EDM-Verfahren in einem vorgegebenem Muster maschinell eingearbeitet werden,so daß abschließend jeder Kardanrahmen von seinem zylindrischen Rohling getrennt wird und Spalte verbleiben, die von den Biegeelement-Klingen überspannt werden. Bestimmte Positionen der Schlitze werden jedoch nicht vollständig fortbearbeitet, so daß Stege verbleiben, die den Kardanrahmenteil mit den Enden jedes Rohlings verbinden, so daß sich eine einstückige starre Struktur ergibt. Diese starre Struktur wird dann einer Sprühdraht-Funkenerosionsbearbeitung an den Spaltbereichen unterworfen,

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um Schlitze zur Aufnahme der Biegeelement-Klingen zu bilden wobei sichergestellt ist, daß die Schlitze perfekt auf jeder Seite der Spalte miteinander ausgerichtet sind. Die Biegeelement-Klingen werden dann in die Schlitze eingesetzt und in diesen befestigt. Die inneren und äußeren zylindrischen Bauteile werden dann sorgfältig zusammengebaut, miteinander ausgerichtet und miteinander verbunden. Danach werden die Verbindungsstege mit Hilfe des Funkenerosionsverfahrens entfernt, so daß die zylindrischen Endbauteile biegsam mit den Kardanrahmen verbunden bleiben und die Biegeelement-Klingen mit großer Präzision ausgerichtet sind. Dieses Schlitzmuster an dem Außenrahmen ist derart, daß die ebenen Abmessungen der Biegeelement-Klingen in einer horizontalen Ebene senkrecht zur Laufachse liegen, so daß sich eine im wesentlichen starre Halterung des Rotors gegen eine Radialbewegung ergibt_;während das Schlitzmuster des Innenrahmens derart ist, daß die ebenen Abmessungen der Klingen in Ebenen parallel zur Laufwellenachse liegen,so daß sich eine im wesentlichen starre Halterung des Rotors gegen eine Axialbewegung ergibt. Ein Ende des äußeren zylindrischen Bauteils und das laufwellenseitige Ende des inneren zylindrischen Bauteils sind in der beschriebenen Weise miteinander verbunden^ so daß beide von der Laufwelie angetrieben werden, während die anderen Enden der zylindrischen Bauteile ebenfalls in der beschriebenen Weise miteinander verbunden sind, und der Kreiselrotor ist seinerseits mit den letztgenannten Bauteilen verbunden. Der doppelte Kardanrahmen und die Biegeelemente bilden eine dynamisch abstimmbare Verbindung zwischen der Laufwelle und dem Kreiselrotor, wie dies in den genannten Veröffentlichungen beschrieben ist. Das laufwellenseitige Ende des äußeren zylindrischen Bauteils schließt einen sich in Radialrichtung erstreckenden Flanch mit darin angeordneten, in Radialrichtung einstellbaren Auswuchtschrauben zur dynamischen Auswuchtung des Gesamtkreisels nach dem Auswuchten des Rotors zur Verringerung der Empfindlichkeit des Kreisels gegenüber Schwingungen entlang der Laufachse bei der Frequenz von IxN ein, während eine einzige Auswuchtschraube in Axialrichtung in der Innenbohrung des inneren

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Kardanrahmens befestigt ist, um den Schwerpunkt der Kardanrahmenbaugruppe einzustellen und um Kardanrahmen-Trägheitskraft-Einstellungen zu ermöglichen, so daß der in den Veröffentlichungen beschriebene Drehmomentausgleich bei der doppelten Rotorfrequenz so weit wie möglich verringert wird.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer Ausführungsform eines dynamisch abgestimmten,mit Hilfe einer Biegeelement-Tragbaugruppe gelagerten Kreisel-Drehmeßfühlers

Pig. IA eine Darstellung der weiter oben beschriebenen typischen bekannten Biegeelement-Tragbaugruppe

Fig. 2 eine Schnittansicht bzw, eine perspektivische Ansicht u. 2A des Rohlings des inneren Kardanrahmens nach einer anfänglichen maschinellen Bearbeitung und vor dem Zusammenbau

Fig. 3 eine Schnittansicht bzw. eine perspektivische Ansicht u. 3A ähnlich den Fig. 2 und 2A, jedoch für den Rohling des äußeren Kardanrahmens

Fig. 4A schematische Ansichten von Abwicklungen der zylindrischen u. 4B inneren und äußeren Kardanrahmen, aus denen die Spalt-/ Schlitz-Muster bei den verschiedenen Zusammenbau-Stufen erkennbar sind.

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt einer Ausführungsform eines Kreisel-Drehmeßfühlers mit lagerfreiem Rotor für zwei Achsen gezeigt, der dynamisch abgestimmt ist. Die Gesamtanordnung ist ähnlich der Anordnung nach der oben erwähnten US-Patentschrift 3 529 477, so daß eine ausführliche Beschreibung des grundlegenden Aufbaus nicht

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erforderlich ist. Der Meßfühler weist ein Gehäuse 10 auf, das an einem Fahrzeug befestigbar ist, dessen Bewegung gemessen werden soll. Dies kann über eine Kardanrahmen-Anordnung oder über eine starre Verbindung erfolgen, wobei beide Anordnungen gut bekannt sind. Das Gehäuse 10 umfaßt ein allgemein zylindrisches j mit einem Planch versehenes Basisteil· 11 und einen Deckel 12. Zur Erläuterung des Ausmaßes der Miniaturisierung„ das bei der hier beschriebenen Ausführungsform verwendet wird seien die Gehauseabmessungen einer Ausführungsform angegeben: Durchmesser (ohne den Befestigungsflanch) 31_S75 mm ; Länge 42,67 mm. Das Basisteil bildet die Lagerstruktur für die Laufwelle 13 des Kreiselrotors j für die Laufwellen-Lager 14 und einen Antriebsmotor 15. Ein Kreiselrotor 16 ist biegsam an einer Verlängerung der Laufwelle 13 über eine zwei Kardanrahmen bildende, dynamisch abgestimmte Biegeelement-Tragbaugruppe 17 befestigt, die weiter unten ausführlicher beschrieben wird. Der Rotor 16 wird mit Hilfe der Laufwelle 13 um die Laufachse z-& des Meßfühlers mit Hilfe der die Kardanrahmen bildenden Biegeelement-Tragbaugruppe 17 in Drehung versetzt und diese Tragbaugruppe ergibt eine begrenzte Dreh- oder Kippfreiheit um zueinander senkrechte Achsen x-x, y-x (die jeweils senkrecht zur¹ Laufachse z-z stehen). Ein Ausgleichs- oder Auswuchtgewicht 30 kann zur Festlegung des Schwerpunktes des Rotors 16 auf dem Schnittpunkt der x-, y- und z-Achsen vorgesehen sein.

Ein Kippen des Kreiselrotors 16 um die Meßachsen χ und y bei einer entsprechenden Drehung des Gehäuses 10 wird mit Hilfe eines geeigneten induktiven Abgriffs für jede Achse festgestellt. Der Abgriff für die Feststellung einer derartigen Drehung um die y-Achse ist bei 18 in Fig. 1 gezeigt, während der Abgriff IQ zur Feststellung einer Drehung um die x-Achse nicht, sichtbar ist. Wie dies bei Kreisel-Meßfühlern der hierbeschriebenen Art gut bekannt ist, wird einem Kippen des Rotors bei einer Drehung des Gehäuses um die Meßachsen χ und y dadurch entgegengewirkt, daß ein Präze^sionsdrehmoment um die orthogonalen Achsen y und χ ausgeübt wird, um die Rotorlaufachse mit der Ge-

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häuse-Laufachse ausgerichtet zu halten, wobei die Größe des Drehmomenterzeuger-Stromes proportional zur Rate der Gehäusedrehung ist. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 wird dieses entgegenwirkende Drehmoment durch zwei induktive Drehmomenterzeuger geliefert, die um die x- und y-Achsen wirksam sind, wobei jedoch in Fig. 1 lediglich der um die y-Achse wirksame Drehmomenterzeuger 20 sichtbar ist. Der Drehmomenterzeuger 20 wirkt um die Achse y und weist an dem Gehäuse 10 befestigte Wicklungen 22 und eine kreisringförmige, an dem Rotor 16 befestigte magnetische Ankerstruktur 23 auf. Die Wicklungen des anderen Drehmomenterzeugers, der um die x-Achse wirksam ist, sind in dem Schnitt nach Fig. 1 nicht sichtbar. Eine ausführliche Beschreibung des Aufbaus und der Betriebsweise der Abgriffe und der Drehmomenterzeuger findet sich in der US-Patentschrift (US-Patentanmeldung 818 486 vom 25. Juli 1977).

Die elektrischen Verbindungen an die elektrischen Bauteile in dem Gehäuse 10 erfolgen in üblicherweise durch geeignete abgedichtete Anschlüsse 24, die um das mit dem Flanch versehene Basisteil 11 herum verteilt sind. Weitere Anschlüsse 25 dienen zur Erzielung einer elektrischen Verbindung an einen üblichen Rotor-Drehzahlmesser 26, der eine Wicklung 27 und einen Anker 28 zur Steuerung der Rotordrehzahl aufweist, wie dies weiter unten ausführlicher erläutert wird.

Die Theorie und die Arbeitsprinzipien eines dynamisch abgestimmten lagerfreien Kreiselmeßfühlers sind allgemein bekannt und ausführlich in der Literatur, unter Einschluß der eingangs genannten Veröffentlichungen beschrieben, so daß eine ausführliche Erläuterung hier nicht erforderlich sein dürfte. Es soll an dieser Stelle genügen, festzustellen, daß der Schlüssel zum Erfolg eines derartigen Kreisels in der Konstruktion der Kardanrahmen-Biegeelement-Tragbaugruppen-Anordnung zwischen der Kreisel-Laufwelle und dem Kreiselrotor, der Herstellbarkeit des Kreiselgeräts bei annehmbaren Kosten (einschließlich der Eichko.sten), der Zuver-

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Ayr- .

lässigkeit und selbstverständlich der Qualität liegt, die insbesondere durch eine minimale Kreiseldriftrate gekennzeichnet, ist. Die Kardanrahmen-/Biegeelement-Tragbaugruppe 17 des Kreisels nach Fig. 1 und das Verfahren der Herstellung und der Eichung ergeben Verbesserungen in allen diesen Bereichen und werden im folgenden ausführlich beschrieben, wobei auf die Fig. 2A und 3A sowie auf Fig. 1 Bezug genommen wird.

Allgemein umfaßt die Kardanrahmen-Biegeelement-Tragbaugruppe zwei konzentrische koplanare zylindrische innere und äußere Kardanrahmen 35_} 36, die zwischen entsprechenden zylindrischen, mit axialen Abstand angeordneten inneren und äußeren zylindrischen Bauteilen 37, 37" und 38, 38' eingekoppelt sind, wobei die Bauteile 37 j 38 aneinander befestigt sind und das Bauteil 37 einstückig mit derAntriebswelle 13 ausgebildet ist, während die Bauteile 37' , 38' ebenfalls miteinander und mit dem Rotor 16 verbunden sind. Der innere Kardanrahmen 35 ist zwischen den inneren zylindrischen Bauteilen 37» 37' mit Hilfe von klingenartigen Biegeelementen 40 gemäß Fig. 2A eingekoppelt,während der äußere Kardanrahmen 36 zwischen den äußeren zylindrischen Bauteilen 38, 38' mit Hilfe von klingenartigen Biegeelementen 4l eingekoppelt ist, wie dies aus Fig. 3 zu erkennen ist. Wenn die Biegeelemente 40 und 41 in noch zu beschreibender Weise eingebaut werden, werden sie so ausgerichtet und angeordnet, daß sie zusammen den Rotor l6 im wesentlichen starr bezüglich der Antriebswelle 13 gegen axiale und radiale Translationskräfte haltern, wobei sie jedoch eine relative Winkelfreiheit für eine Kippbewegung des Rotors l6 um die Kippachsen χ und y ermöglichen.

Wie dies bei dieser speziellen Kreiseltechnik gut bekannt ist es erwünscht, daß der Kreiselrotor l6 eine Federsteifigkeit oder Federkonstante um die Kippachsen von O aufweist, d.h. bei einem Kippen des Rotors 16 um die Achsen χ und/oder y ergibt sich eine Rückstellkraft von 0 auf Grund des Biegeelement-Tragbaugruppenmechanismus. Wie dies in den verschiedenen genannten

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Entgegenhaltungen erwähnt ist, wird dies bei dieser Art von Kreisel bei einer vorgegebenen Drehzahl dadurch erreicht, daß die Trägheitsmomente der Kardanrahmen um die x-, y- und z-Achsen ausgewählt und gesteuert werden, wobei diese Trägheitsmomente über die Biegeelemente eine dynamische negative oder umkippende Federwirkung auf den Rotor ausüben, die in gewünschter Weise genau die positive oder Rückführ-Pederwirkung der Biegeelemente bei einer vorgegebenen Rotor-Lauffrequenz aufhebt. Obwohl es möglich ist, die dynamische Abstimmung des Kreisels unter Verwendung eines einzigen Kardanrahmens durchszu^fuhren entstehen in der Praxis sekundäre Wirkungen, in der Hauptsache ein Drehmomentausgleich auf Grund von linearen und/oder WinckelschwinguRgen bei der doppelten Lauf- oder Spinfrequenz. Diese Wirkungen können weitgehend durch die Verwendung eines zweiten Kardanrahmens kompensiert werden, wie dies beispielsweise in den oben erwähnten US-Patentschriften 3 678 764 , 3 9^3 778 , 3 856 366 und 4 062 600 beschrieben ist.

Erfindungsgemäß werden die inneren und äußeren Kardanrahmen 35 und 36 durch maschinelle Bearbeitung aus zylindrischen Rohlingen 50 und 51 mit Querschnittsformen hergestellt, die in den Fig. 2 bzw, 3 gezeigt sind. Es ist zu erkennen, daß der Rohling 50 für den Innenrahmen einstückig mit der Rotorantriebs- oder Laufwelle 13 ausgebildet ist, so daß sich eine Ausrichtung dieser Welle mit höchster Präzision bezüglich des inneren Kardanrahmens 35 ergibt. Eine Präzisionsbearbeitung der Rohlinge 50, 51 wird mit Hilfe üblicher Dreh- und Schleifvorgänge durchgeführt. Die Schlitze s, s¹, h, h^! werden mit Hilfe üblicher Funkenerosionsbearbeitungstechniken hergestellt. Die Schlitze 60 und 70 werden mit Hilfe der "Wanderdraht"-Funkenerosionstechnik hergestellt. Es ist jedoch zu erkennen, daß die Funkenerosionsbearbeitung nicht zur Herstellung der Biegeelemente verwendet wird, so daß das vorstehend erwähnte Problem der Materialermüdung auf Grund der ümgußschicht vermieden wird. Alle durch Funkenerosion · bearbeiteten Oberflächen der beschriebenen Ausführungsfdrm sind insofern unkritische Oberflächen, als es die Biegeelemente

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betrifft, so daß sie nicht die Zuverlässigkeit der Biegeelemente selbst beeinträchtigen.

Wie dies aus den Fig. 2 und 2A zu erkennen ist, weist der Rohling 50 für den Innenrahmen ein zylindrisches Teil 52 auf, das als Verlängerung der Antriebs- oder Laufwelle 13 ausgebildet ist, wobei der Rohling aus einem Stab aus geeignetem Metall in üblicher WÜise durch maschinelle Bearbeitung hergestellt wurde. Der Umfangsbereich 53, an dem der Kardanrahmen eingearbeitet wird, ist in seinem Durchmesser etwas verringert, so daß sich ein Kardanrahmen-Spiel nach dem Zusammenbau ergibt, wie dies noch näher erläutert wird. Das Bearbeitungsschema ist allgemein in Fig. 2A und ausführlicher in Fig. 4A gezeigt, wobei die letzte-· re Fig. eine Abwicklung der äußeren Umfangsoberflache des Rohlings 50 für den inneren Kardanrahmen darstellt. Es ist zu erkennen, daß das Bearbeitungsschema derart ist, daß obere und untere (gemäß den Figuren) Kardanrahmen-Trennschlitze s gebildet werden, die schließlich den Kardanrahmen 35 von dem inneren Bauteil 37 und dem äuß%*en Bauteil 37' des Rohlings 50 trennen. Weiterhin werden bei diesem Bearbeitungsschema vertikale Spalte h zwischen sich in Axialrichtung erstreckenden Ständern 54 auf dem inneren Bauteil 37 des Rohlings 50 und entsprechenden sich in Axialrichtung erstreckenden Nuten 55 in dem Kardanrahmen 35 an Stellen ausgebildet, die allgemein 0° und l80° entsprechen. Änliche Ständer 56 und Nuten 57 sind zwischen dem äußeren Teil 37- des Rohlings 50 und dem Kardanrahmen 35 an Stellen vorgesehen, die allgemein bei 90° und 270° liegen. Die axialen oder vertikalen Abmessungen jedes Spaltes h sind derart, daß ihr Mittelpunkt genau auf der Mitte der axialen Länge L des Kardanrahmens 35 und auf den Achsen χ und y liegt. Wenn daher die Bearbeitung der Schlitze s und der Nuten 57 ideal, sein würde und wenn die Masse des Kardanrahmens gleichförmig ist,, so liegt der Schwerpunkt des Kardanrahmens 35 genau am Schnittpunkt der x-, y- und z-Achsen (siehe Fig.l ) . Es ist zu erkennen, daß diesei?'Idealzustand praktisch unmöglich ist und daß Kompensationseinrichtungen vorgesehen werden müssen, wie dies noch beschrieben wird.

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Die Trennschlitze S werden nicht vollständig bearbeitet, sondern die Bearbeitung dieser Schlitze wird unterbrochen, so daß Verbindungsstege zwischen den inneren und äußeren Bauteilen 37 und 37' und dem Kardanrahmen 35 zurückbleiben^wie dies durch die schraffierten Bereiche 58 in den Fig. 2A und 4A angedeutet ist. Diese Verbindungsstöge weisen auf Grund des "Wanderdraht"-Funkenerosions-Elektrodenbearbeitungsverfahrens eine dreieckförmige Form auf. Daher bilden der innere Kardanrahmen 35 und die Endbauteile 37 und 37' zu diesem Zeitpunkt ein einstückiges Element.

Der soweit bearbeitete Rohling 50 wird weiter unter erneuter Verwendung des "Wanderdrahf'-Funkenerosionsverfahrens derart bearbeitet, daß schmale, sich in Axialrichtung erstreckende Schlitze 60 genau in Ebenen gebildet werden, die durch die χ z- und y z-Achsen festgelegt sind und diese Schlitze erstrecken sich in Radialrichtung zu einer Tiefe kurz vor der Innenb'ohrung 61 des Rohlings 50. Weil alle Elemente einstückig durch die Verbindungsstege 58 verbunden sind,wird eine Präzisionsausrichtung der Schlitze 60 längs der Spalte h sichergestellt. Die Biegeelemente kO werden in die Schlitze 60 derart eingesetzt, daß ihre Außenkanten glatt mit der Außenfläche des Kardanrahmens 35 abschließen und die Spalte h überbücken. Die Endender Biegeelemente 40 werden in den Schlitzen durch Schweisen, Hartlöten oder Kleben befestigt. Jedes Biegeelement ist dann präzise so ausgerichtet, daß es in den χ ζ- und y z-Ebenen an den Spalten h zwischen den Bauteilen 37, 37' und dem Kardanrahmen 35 liegt und diese Biegeelemente ermöglichen schließlich die Winkelbewegung zwischen diesen Bauteilen genau um die x- und y-Achsen, wobei sich weiterhin eine im wesentlichen starre Halterung des Elementes 37' gegen eine axiale Translationsbewegung ergibt. Alle Biegeelemente kO werden im wesentlichen identisch durch chemische Abtragbearbeitung oder chemisches Fräsen aus dünnem, eine hohe Festigkeit aufweisenden Metallblech mit Federeigenschaften hergestellt, wie zum Beispiel aus der unter dem Warenzeichen Elgiloy vertriebenen Metalllegierung, die zu 85$ kalt bearbeitet wurde, wobei das "Walzkorn" parallel

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zur langen Abmessung der Klinge liegt. Eine übliche Wärmebehandlung ist zur Erzielung der gewünschten Festigkeit wünschenswert. Hiermit ist die anfägliche maschinelle Bearbeitung undder Zusammmenbau der inneren Kardanrahmen-Baugruppe beendet.

Der äußere Kardanrahmen 36 wird aus dem Rohling 51 für den äußeren Kardanrahmen in ähnlicher Weise hergestellt. Wie dies aus Fig. 3 zu erkennen ist, weist der Rohling 51 für den äußeren Kardanrahmen einen Zylinder 65 auf, der an seinem inneren oder unteren Ende mit einem sich in Radialrichtung erstreckenden Flan%h 66 versehen ist, in dem 3 unter gleichen Winkelabständen angeordnete sich in Radialrichtung erstreckende Gewindebohrungen 67 ausgebildet sind, die Eich- Auswuchtgewichte 80 (Fig. 1) aufnehmen,wie dies noch näher erläutert wird. Wie bei dem Rohling 50 für den inneren Zylinder ist die Umfangsoberfläche, die zu der Außenober.f lache des äußeren Kardanrahmens wird, im Durchmesser bei 68 verringert-damit sich das erfö'rderliche Spiel beim Zusammenbau ergibt. Die Innenbohrung 71 des Zylinders an dem dem mit dem Flanch versehenen Ende entgegengesetzten Ende ist mit Gewinde versehen, so daß eine Rotor-Auswuchtmasse 30 einstellbar in diesem Gewinde befestigt werden kann.

Das Bearbeitungsschema für den Rohling 51 ist allgemein in Fig. 3A und insbesondere in Fig. 4B gezeigt. Es ist zu erkennen, daß dieses Bearbeitungsmuster ebenfalls ähnlich dem für den Rohling für den inneren Kardanring ist, wobei der wesentliche Unterschied in der Ausrichtung der Spalte h¹ liegt, die gemäß den Fig. horizontal und nicht vertikal sind. Die Spalte h' weisen jedoch die gleiche Breite auf wie die Spalte h. Das in Fig. 4B gezeigte Bearbeitungsmuster bildet die horizontalen Spalte h· zwischen sich in Axialrichtung erstreckenden Ständern 72 auf dem inneren Bauteil 38 des Rohlings 51 und sich entsprechend horizontal erstreckenden Nuten 73 in dem Kardanrahmen 36 an Stellen allgemein bei 00° und 27O⁰ aus. Ähnliche Ständer Ik und Nuten 75 sind zwischen dem äußeren Bauteil 38' des Rohlings 51 und dem Kardanrahmen 36 an Stellen allgemein bei 0° und l80° angeordnet. Wie vorher sind

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die Abmessungen jedes Spaltes h· derart, daß der Mittelpunkt jedes Spaltes genau in der Mitte'der axialen Länge L' des Kardanrahmens 36 und auf den Achsen χ und y liegt. Die Abmessungen der Nuten im Kardanrahmen und die Winkelpositionen sind identisch, so daß der Schwerpunkt des Kardanrahmens 36 präzise am Schnittpunkt der x-, y- und z-Achsen liegt(siehe Pig.l). Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß die Trennschlitze S' etwas breiter als die Spalte h sind, um die Punkenerosionsbearbeitung zu erleichtern, die später zur Beseitigung der Verbindungsstege 58 des inneren Kardanrahmens verwendet wird .. Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß die vorübergehenden Verbindungsstege 69 winkelmäßig so angeordnet sind, daß sie mit der Lage der Verbindungsstege 58 übereinstimmen, um die endgültige abschließende Entfernung zu erleichtern. Der soweit bearbeitete Rohling 51 wird weiterhin derart bearbeitet, daß schmale sich in Horizontalrichtung erstreckende Schlitze 70 gebildet werden, die genau in der Ebene liegen, die durch die x- und y-Achsen definiert ist, und die sich in Radialrichtung bis zu einer Tiefe kurz vor der Innenbohimng 71 des Rohlings 51 erstrecken. Auch hierbei wird, weil alle Elemente einstückig miteinander über die Verbindungastege 69 verbunden sind, eine präzise Ausrichtung der Schlitze längs der Spalte h¹ sichergestellt. Die Biegeelemente 41 werden in die Schlitze 70 so eingesetzt, daß ihre Außenkanten glatt mit der Außenfläche des Kardanrahmens 36 abschließen und daß sie die Spalte h¹ überbrücken^wobei die Enden der Biegeelemente in den Schlitzen in der vorstehend beschriebenen Weise befestigt sind. Es ist zu erkennen, daß die Enden der Biegeelemente hl einen derartigen Umriß aufweisen, daß sie im wesentlichen mit der gekrümmten Oberfläche des Kardanrahmens 36 abschließen, über die Spannweite der Spalte h¹ haben die Biegeelemente jedoch eine identische Breite wie die Biegeelemente 40. Jedes Biegeelement ist damit präzise so ausgerichtet, daß es in der x- y-Ebene an den Spalten h' zwischen den Bauteilen 38, 38' und dem Kardanrahmen 36 liegt, so daß dieses Biegeelement daher schließlich eine Winkelbewegung präzise um die Achsen χ und y ermöglicht und gleichzeitig eine im wesentlichen starre Halterung des Bauteils 38' gegenüber radialen Translationsbewegungen erzielt wird. Hiermit ist die anfägliche maschinelle Bearbeitung und der Zusammenbau der äußeren Kardanrahmenbaugruppe

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beendet.

Während die Verbindungsstege 58 und 70 immer noch die Kardanrahmen 35 und 36 mit den jeweiligen Bauteilen 37, 37' bzw. 38, 38' verbinden, um die Aufrechterhaltung einer Präzisionsausrichtung der Elemente sicherzustellen, wird die innere Kardanrahmenbaugruppe nach Fig. 2A in Axialrichtung in die Bohrung 71 der äußeren Kardanrahmenbaugruppe nach Fig. 3A eingesetzt, bis die Mittellinien der Spalte h und hl, d.h. die Mittellinien nac'h den Fig. 4A und 4B, präzise in der gleichen Ebene liegen und die Winkelpositionen 0°, 90°, l8o° und 270° werden präzise miteinander ausgerichtet. Wie dies am besten in Fig. 1 zu erkennen ist,werden die zylindrischen Bauteile 37 und 38 sowie 37' und 38' aneinander befestigt oder miteinander verbunden, beispielsweise durch Kleben oder durch andere geeignete Befestigungsmittel. Es ist zu erkennen, daß die inneren zylindrischen Bauteile 37, 38 eine einstückige Struktur bilden und daß auch die äußeren zylindrischen Bauteile 37', 38' eine einstückige Struktur bilden. Es ist weiterhin zu erkennen, daß die beiden Kardanrahmen um 90 gegeneinander versetzt sind, so daß die Baugruppe keine linearen und/oder Winkelschwingungen bei der doppelten Rotordrehzahl-Frequenz ausgleicht oder gleichrichtet.

Nachdem dieser Zusammenbauschritt fertiggestellt istjwird die fertige Baugruppe einer weiteren Funkenerosionsbearbeitung unterworfen, ' durch die die Verbindungsstege 48 und 69 beseitigt werdenj so daß die inneren und äußeren Kardanrahmen 35 und 36 losgelöst werden., die dann nur noch mit den einstückigen inneren Bauteilen 37, 38 und den einstückigen äußeren Bauteilen 37', 38' durch die Biegeelemente 40 und 41 verbunden sind, wobei die Biegeelemente so genau ausgerichtet sind, wie dies Bearbeitungsund Ausrichttoleranzen ermöglichen. Daher sind die inneren und äußeren Strukturen 37, 38, 37' und 38· miteinander über eine Biegeelement-Kardanrahmen-Baugruppe 35, 36 mit zwei Kardanrahmen verbunden, die eine starre Halterung der äußeren einstückigen Struktur (an der der Rotor 16 befestigt wirdfe) gegen radiale und axiale Translationsbewegungen gegenüber der Laufachse ζ ergibt^während sich eine winkelmäßige Kippfreiheit um die Kippoder Neigungsachsen χ und y ergibt. Weiterhin ermöglicht die

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gleichförmige Stärke der Biegeelemente über die volle Länge der Spalte h und h' die Erzielung einer sehr niedrigen Federkonstante oder Pederstexfxgkeitjohne daß auf übermäßig dünne Biegeelemente zurückgegriffen werden muß. Diese Konstruktion ermöglicht damit eine wesentlich größere Flexibilität hinsichtlich der Gesamtabmessungen des Kreiselmeßfühlers und der Rotor-Lauf-Abstimmfrequenz. Es ist weiterhin zu erkennen, daß alle Biegeelement-Achsen in einer gemeinsamen Ebene liegen und daß sich die Biegeelemente um eine Achse in der Mitte der Länge der Biegeelemente biegen, wobei diese Konstruktion die Winkel-Federsteifigkeit der Baugruppe soweit wie möglich verringert und es ermöglicht, daß der Schwerpunkt der Kardanrahmen in der Ebene der Biegeelement-Achsen liegt.

Bei erneuter Betrachtung der Big. 1 ist zu erkennen, daß der Rotor 16 mit dem äußeren einstückigen zylindrischen Bauteil 37' ,38' , beispielsweise durch Kleben, verbunden ist und die schälenförmige Rotorform ist derart, daß der Schwerpunkt des Rotors auf dem Schnittpunkt der x-, y- und z-Achsen liegj; Ein geringer Abgleich der Lage des Schwerpunktes des Rotors kann durch das Auswuchtgewicht 30 durchgeführt werden, um die gewünschte Lage des Schwerpunktes zu erzielen. Der übrige Teil der Konstruktion der Kreiseleinheit wurde weiter oben beschrieben, so daß diese Beschreibung nicht wiederholt werden muß.

Der Gesamtbetrieb eines dynamisch abgestimmten Kreiselmeßfühlers mit zwei Kardanrahmen ist ausführlich in den eingangs genannten Veröffentlichungen beschrieben und dem Fachmann bekannt, so daß eine ausführliche Beschreibung hier nicht erforderlich scheint. Es ergeben sich jedoch Merkmale auf Grund der verbesserten Konstruktion des vorstehend beschriebenen Kreiselgerätes die im folgenden noch näher erläutert werden. Im allgemeinen beziehen sich diese konstruktiven Merkmale auf die Abstimmung und Eichung des Kreiselgerätes.

Zunächst einmal bilden die radialen Auswuchtgewichte 80 in dem Flanch 66 des einstückigen äußeren Bauteils 37', 38' eine

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lichkeit für die dynamische Auswuchtung der gesamten Kreiselbaugruppe, nach^dem der Rotor so ausgewuchtet w_urds, daß sein Schwerpunkt mit dem Mittelpunkt der Halterung der Kardanrahmen-/Biegeelementbaugruppen übereinstimmt .. Diese Technik verringert die Empfindlichkeit des Kreisels gegenüber synchronen Schwingungen bei der Lauffrequenz des Kreisels entlang der Kreisel-Lauf achse. Derartige Schwingungen können beispielsweise durch geringfügige Fehler der Laufwelle und der Lagergeometrie hervorgerufen werden,oder sie können sich auf Grund von äußeren Schwingungen .ergeben, die von außerhalb des Kreisels liegenden Quellen übertragen werden.

Das zweite konstruktive Merkmal, daß die Eichung und Kalibrierung des Kreisels erleichtert,, ist durch eine Betrachtung der beiden üblichen Abstimmgleichungen für einen dynamisch abgestimmten Kreisel mit einer Biegeelement-Tragbaugruppe zu erkennen. Die erste dieser Gleichungen ist wie folgt:

(K + K ) + (K + K_v )
2 _ ^Xi ^yi ^Xo ^yo

darin ist:

N die abgestimmte Rotorlauffrequenz,

K und K die Pederkonstanten oder-Steifigkeiten der Biegeelemente

i ^yi

des inneren Kardanrahmens um die x- bzw. y-Achse,

K_v ^un y die Pederkonstanten oder -Steifigkeiten der Biegeele-

mente des äußeren Kardanrahmens um die x- bzw. y-Achse A.,B. und C. die Trägheitsmomente des inneren Kardanrahmens um x-, y- bzw. z-Achse
die Trägheitsmoment«
x-, y- bzw. z-Achse.

A ,B und C die Trägheitsmomente des äußeren Kardanrahmens um oo ο

Diese Gleichung stellt . die Rotordrehzahl oder Lauffrequenz dar, die erforderlich ist, damit eine Pederkonstante oder Peders'teifigkeit von 0 für den Kreisel erzielt wird. Diese Gleichung kann dadurch erfüllt werden, daß die Rotor-Laufdrehzahl des sychronen

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Hysteresemotors mit Hilfe der Kreisel-Leistungsversorgung eingestellt wird. Bei der Konstruktion des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels sind die Trägheitsmomente und Federkonstanten ausreichend genau und gleichförmig, damit ein Drehzahlbereich von ungefähr - 10 % voi
Stimmung sicherstellt.

von ungefähr - 10 % von der Nenndrehzahl eine geeignete Ab-

Die zweite Gleichung stellt die Bedingungen dar, die erforderlich sind, um jeden Drehmomentausgleich oder eine Drehmomentgleichrichtung auf Grund von Schwingungen bei Frequenzen von .2 N zu beseitigen. Diese zweite Gleichung ist wie folgt:

(K_x - K )e° + (K - K )e^Jir 0 = ^xi ^yi ^xo ^yo +

xi oo

(A₁ » B₁ -.C.)e° + (A₀ + B₀- C_o)e^ (A_{1 +} B₁ -C.) ₊ (A_{0 +} B_o - C₀)

darin sind die Werte für K und A, B und C die gleichen wie für die erste Gleichung und e° und e (bei syffletrisehen Biegeeleraent-Achsabstand) sind Ausdrücke, die entgegengesetzte Einheitsvektoren darstellen.

Es ist zu erkennen, daß auf Grund der verbesserten Konstruktion und des verbesserten Verfahrens zur Herstellung der Tragbaugruppe gemäß der Erfindung die Federkonstanten aller Biegeelemente im wesentlichen perfekt aneinander angepaßt sind. Eine Anordnung mit symetrischen Abständen wird mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Funkenerosionsbearbeitung erzielt. Es ist dann aus dieser Gleichung zu erkennen, daß es lediglich erforderlich ist, daß der Absolutwert von A. + B. - C gleich dem Absolutwert von A +B-C ist. Daher muß lediglich das Trägheitsmoment eines einzigen Kardanrahmens um die x-, y- und z-Achsen abgestimmt werden. Zu diesem Zweck ist eine Abstimmschraube 85 mit Hilfe einer Gewindehülse 86 befestigt, die in der Mitte innerhalb der Innenbohrung des inneren Kardanrahmens 35 befestigt ist. Diese Schraube 85 muß daher lediglich hinsichtlich ihrer Länge ausgewählt werden, damit die Eichung des Kreisels zur Beseitigung

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der oben erwähnten · 2. N-Gleichrichtung beseitigt wird. Die axiale Position dieser Schraube wird zur Einstellung des Schwerpunktes des inneren Kardanrahmens so festgelegt, daß der Drehmomentausgleich oder die Drehmomentgleichrichtung auf Grund der geringen Versetzung des Schwerpunktes des äußeren Kardanrahmens ungefähr durch den Drehmomentausgleich auf Grund der Versetzung des Schwerpunktes des inneren Kardanrahmens aufgehoben wird. In der Praxis werden diesen beiden Schraubeneinstellungen (Länge und Position) gleichzeitig unter Verwendung gemessener 2. N-Schwingungsdaten in Verbindung mit einer üblichen Rechnerroutine durchgeführt. Dieses Merkmal führt zur Erzielung einer hohen Genauigkeit bei verringerten Herstellungsund Teilkosten sowie verringerten Eich- bzw. Kalibrierkosten.

Die vorstehend beschriebene Ausführungsform der Biegeelement-Tragbaugruppe für einen dynamisch abgestimmten lagerfreien Kreisel-Meßfühler mit zwei Meßachsen weist einen einfachen Aufbau auf j weil lediglich koplanare konzentrische zylindrische innere und äußere Kardanrahmen 35 , 36 vorgesehen sind, die zwischen zylindrischen Bauteilen 37 , 38; 37' , 38' eingekoppelt sind,an denen die Rotorlaufwelle 13 bzw. der Kreiselrotor 16 befestigt sind. Der innere Kardanrahmen 35 ist mit Hilfe von Biegeelementen 40 zwischen den Bauteilen 37> 37' angeordnet, während der äußere Kardanrahmen 36 mit Hilfe von Biegeelementen 41 zwischen den Bauteilen 38, 38' eingekoppelt ist. Die Biegeelemente 40, 41 ergeben eine im wesentlichen starre axiale und radiale Halterung des Rotors 16 bezüglich der Antriebswelle 13 und eine * relative..WinkeIfreiheit für eine Kippbewegung des Rotors l6 um zueinander orthogonale Achsen, die senkrecht zur Achse der Antriebswelle stehen. Die Biegeelemente 40 , 41 sind durch getrennte dünne Streifen gebildet, die aus hochfestem Metallblech mit Federeigenschaften hergestellt sind und die Spalte überbrücken, die zwischen den Kardanrahmen 35, 36 und den zylindrischen Bauteilen 37, 37'; 38, 38' ausgebildet sind.

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Claims

Patentanwälte DLpL^-1ηg. Curt Wallach

Dipl.-ing. Günther Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

3005521 ^Dipl-^|n9- Rainer Feidkamp

D-8000 München 2 · Kaufingersiraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum:

Unser Zeichen: 1.6 820 - Pk/Vi

Patent ansorüche

/lJ Biegeelement-Tragbaugruppe für einen dynamisch abgestimmten "Kreisel-Meßfühler mit einem an Biegeelementen aufgehängten lagerfreien Rotor,
dadurch gekennzeichnet,

daß erste und zweite mit axialem Abstand angeordnet^ohle > einen gleichen Durchmesser aufweisende zylindrische Bauteile (37, 37') vorgesehen sind, daß das erste .Bauteil (37) durch eine Kreisel-Laufwelle (13) um eine Laufachse angetrieben wird,während das zweite Bauteil (37') einen Kreiselrotor (36) normalerweise koaxial zur Laufachse haltert, daß ein erster hohler zylindrischer Kardanrahmen (35) zwischen den ersten und zweiten zylindrischen Bauteilen (37, 37') und koaxial zu diesen angeordnet ist und einen Durchmesser aufweist, der im wesentlichen gleich dem Durchmesser der ersten und zweiten zylindrischen Bauteile ist, daß der erste Kardanrahmen (55) den Rotor (16) auf der Laufwelle für eine Kippbewegung um erste und zweite zueinander senkrecht stehende Kippachsen senkrecht'zur Laufachse haltert, daß der Kardanrahmen (35) und das erste zylindrische Bauteil (37) ein erstes Paar von diametral gegenüberliegenden, einen Spalt bildenden

der
Elementen einschließen, währendfKardanrahmen (35) und das zweite zylindrische Bauteil (37') ein zweites Paar von diametral gegenüberliegenden, einen Spalt bildenden Teilen einschließen, daß die einen Spalt bildenden Teile so aufgebaut sind, daß alle Spalte eine im wesentlichen gleiche Länge aufweisen und die Mittelpunkte eines Spaltpaars entlang der ersten Kippachse liegen,während die Mittelpunkte des anderen Spaltpaars entlang der zweiten Kippachse liegen, daß die einen Spalt bildenden Teile an dem Kardanrahmen (35)

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und den ersten und zweiten zylindrischen Bauteilen (37, 37 ^T) schmale Schlitze einschließen, die sich kollinear von den Spalten senkrecht zu ihren jeweiligen ersten und zweiten Achsen erstrecken, daß eine Anzahl von dünnen,eine hohe Festigkeit aufweisenden langgestreckten Biegeelement-Klingen (40) vorgesehen ist, deren Enden jeweils in einem der schmalen Schlitze befes-

teil
tigt ist und deren Mittel einen der Spalte überbrückt, und daß alle Klingen (^O) sojweitgehend wie möglich identische Federcharakteristiken aufweisen, so daß sich im wesentlichen identische Biegeelement-Charakteristiken zwischen dem Kardanrahmen (35) und den ersten und zweiten Beuteilen (37, 37') bei einer Winkel-Kippbewegung des Rotors (16) um die ersten und zweiten Achsen ergeben.

2. Biegeelement-Tragbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß jedes der einen Spalt bildenden Teile «· sich in Axialrichtung erstreckende Nut in dem Kardanrahmen (35) und einen sich in Axialrichtung erstreckenden Ständer an dem zylindrischen Bauteil umfaßt, daß die Abmessungen der Nut und des Ständers den Spalt festlegen und daß sich der schmale Schlitz kollire ar in dem Ständer und einer Wand der Nut erstreckt.

3. Biegeelement-Tragbaugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Abmessungen jeder Nut und jedes Ständers Spalte festlegen, deren axiale Mittelpunkte auf den Kipnachsen liegen und daß der Schwerpunkt des Kardanrahmens (35) im wesentlichen am Schnittpunkt der Kippachsen mit der Laufachse liegt.

'\. Biegeelement-Tragbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,

dadurch gekennzeichnet,

daß weiterhin dritte und vierte in axialen Abstand angeordnete hohle, einen gleichen Durchmesser aufweisende zylindrische Bauteile (38, 38') vorgesehen sindj daß die Durchmesser dieser dritten und vierten Bauteile derart sind, daß das erste Bauteil (37)

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ΠΑΠ

in das dritte Bauteil (38) eingepaßt und darin befestigt ist während das zweite Bauteil (37')in das vierte Bauteil (38^f) eingepaßt und in disem befestigt ist, so daß die ersten und dritten Bauteile (37, 38) beide von der Kreisel-Laufwelle (13) angetrieben sind; während die zweiten und vierten Bauteile (37', 38') den Kreiselrotor (16) haltern, daß ein zweiter hohler zylindrischer Kardanrahmen (36) zwischen den dritten und vierten Bauteilen (38, 38') koaxial zu diesen angeordnet ist und einen Durchmesser aufweist, der im wesentlichen gleich dem Durchmesser der dritten und vierten Bauteile (38, 38') ist, wobei dieser Durchmesser ausreichend unterschiedlich von dem Durchmesser des ersten Kardanrahmens (35) ist, damit die ersten und zweiten Kardanrahmen (35, 36) mit begrenztem Spiel ineinander passen und sich im wesentlichen in Axialrichtung über die gleiche Strecke erstrecken, daß der zweite Kardanrahmen (36) den Rotor (16) für eine Kippbewegung um die ersten und zweiten Achsen haltert, daß der zweite Kardanrahmen (36) und das dritte zylindrische Bauteil (38) ein erstes Paar von diametral gegenüberliegenden, einen Spalt bildenden Teilen einschließen,während der zweite Kardanrahmen (36) und das vierte zylindrische Bauteil (38¹) ein zweites Paar von diametral gegenüberliegenden, einen Spalt bildenden Teilen einschließen, daß die letzteren einen Spalt bildenden Teile so aufgebaut sind, daß ihre Spaltlängen gleich sind und daß die Mittelpunkte eines Spaltpaares entlang der ersten Kippachse liegen während die Mittelpunkte des zweiten Spaltpaares entlang der zweiten Kippachse liegen, daß die einen Spalt bildenden Teile an dem zweiten Kardanrahmen (36) und den dritten und vierten zylindrischen Bauteilen (38, 38') schmale Schlitze einschließen, die sich kollinear von den Spalten senkrecht zu ihren jeweiligen ersten und zweiten Achsen erstrecken, daß eine Anzahl von dünnen, eine hohe Festigkeit aufweisenden langgestreckten Biegeelement-Klingen (41) vorgesehen ist, deren Enden jeweils in einem der schmalen Schlitze befestigt sind und deren Mittelteil einen der Spalte überbrückt und daß alle Klingen (41) eine so/weitgehend wie möglich identische Federcharakteristik aufweisen, so

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daß sich soweit wie möglich identische Biegeelement-Charakteristiken zwischen dem zweiten Kardanrahmen (36) und den dritten und vierten Bauteilen (38, 38') gegenüber einer Winkelkippbewegung des Rotors (16) um die Achsen ergeben.

5. Biegeelement-Tragbaugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß ein sich in Radialrichtung erstreckender Flanch (66) an einem der ersten oder dritten zylindrischen Bauteile angeordnet ist, daß eine Anzahl von sich radial erstreckenden Gewindebohrungen (67) in dem Planch angeordnet ist und daß Auswuchtschrauben (80) einstellbar in jeder Gewindebohrung (67) befestigt sind.

6. Biegeelement-Tragbaugruppe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,

daß eine ein Innengewinde aufweisende Hülse (86) an der Innenfläche des innersten Kardanrahmens im wesentlichen im Mittelpunkt der axialen Länge des Kardanrahmens befestigt ist und daß Auswuchtschraubenteile (85) einstellbar in der Hülse (86) befestigt sind.

7. Biegeelement-Tragbaugruppe nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet,

daß alle Spalte eine im wesentlichen gleiche Länge aufweisen und daß alle Biegeelemente (40, 41) weitmöglichst identische Percharakteristiken aufweisen.

8. Biegeelement-Tragbaugruppe nach einem der Ansprüche 4- 7, dadurch gekennzeichnet,

daß jedes der einen Spalt bildenden Teile zwischen dem zweiten Kardanrahmen (36) und den dritten und vierten Bauteilen (38, 38') eine sich in Axialrichtung erstreckende Nut in dem zweiten Kardanrahmen (36) und einen sich in Axialrichtung erstreckenden Ständer an den dritten und vierten Bauteilen umfaßt, daß die Abmessungen der Nut und des Ständers den entsprechenden Spalt festlegen, daß der schmale Schlitz sich kollinear in dem Ständer und einer Wand

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der Nut erstreckt, daß die schmalen Schlitze in dem ersten Kardanrahmen (35) und den ersten und zweiten Bauteilen (37, 37¹)sowie die darin befestigten Biegeelement-Klingen (*JO) sich parallel zur Laufachse erstrecken, so daß der Rotor (16) im wesentlichen starr gegen axiale Translationskräfte gehaltert ist, und daß sich die schmalen Schlitze in dem zweiten Kardanrahmen (36) und den dritten und vierten Bauteilen (38, 38') sowie die darin befestigten Biegeelement-Klingen (Ml) parallel zur Ebene der ersten und zweiten Kippachsen und in dieser erstrecken,so daß der Rotor (16) gegenüber radialen Translationskräften gehaltert ist.

9. Biegeelement-Tragbaugruppe nach einem der Ansprüche ¹J bis 6, dadurch gekennzeichnet,

daß eines der ersten oder dritten zylindrischen Bauteile und-die Laufwelle durch eine einstückige integrale Anordnung gebildet sind.

10. Verfahren zur Herstellung einer Biegeelement-Tragbaugruppe nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß in einem langgestreckten hohlzylindrisehen Rohling (50) teilweise zwei parallele mit axialem Abstand angeordnete Trennschlitze durch die Wände des Rohlings hindurch ausgebildet werden, so daß der Rohling(50) in die ersten und zweiten in axialen Abstand voneinander angeordneten zylindrischen Bauteile (37_S 37') und den Kardanrahmen (35) unterteilt wird, wobei jedoch eine Anzahl von Stegteilen (58) verbleibt, die den Kardanrahmen (35) und die Bauteile (37, 37') miteinander verbinden, so daß eine im wesent* liehen starre einstückige Struktur aufrecht erhalten wird, daß die einen Spalt bildenden Teile in dem Kardanrahmen (35) und den ersten und zweiten Bauteilen (37, 37") ausgebildet werden, daß die schmalen Schlitze in den einen Spalt bildenden Teilen ausgebildet werden, daß die Biegeelement-Klingen (40) in die Schlitze eingebaut und in diesen befestigt werden und daß schließlich die Verbindungsstege (58) entfernt werden, so daß der Kardanrahmen (35) biegsam über die Biegeelement-Klingen (¹IO)

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zwischen den ersten und zweiten zylindrischen Bauteilen (37, 37') verbunden bleibt.

11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Laufwelle (13) an einem Ende des langgestreckten hohlzylindrischen Rohlings (50) als einstückige koaxiale Verlängerung dieses Rohlings ausgebildet wird, so daß eine koaxiale Ausrichtung des ersten Kardanrahmens (35) und der ersten und zweiten zylindrischen Bauteile (37, 37^l) mit der Laufwelle (13) sichergestellt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10,

zur Herstellung der Biegeelement-Tragbaugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß weiterhin in einem zweiten langgestreckten zylindrischen Rohling (51) teilweise zwei parallele mit axialen Abstand angeordnete Trennschlitze durch die Wände des Rohlings (51) hindurch ausgebildet werden, so daß der Rohling in die dritten und vierten mit axialem Abstand angeordneten zylindrischen Bauteile (38, 38') und den zweiten Kardanrahmen (36) unterteilt wird, wobei jedoch eine Anzahl von Stegteilen (69) verbleibt, die den Kardanrahmen (36) und die Bauteile (38, 38') verbinden, so daß eine im wesentlichen starre einstückige Struktur beibehalten wird, daß die einen Spalt bildenden Teile in dem zweiten Kardanrahmen (36) und den dritten und vierten Bauteilen (38, 38') ausgebildet werden, daß die schmalen Schlitze in den letztgenannten^ einen Spalt bildenden Teilen ausgebildet werden, daß die Biegeelement-Klingen (41) in den letztgenannten Schlitzen befestigt werden, daß der erste Kardanrahmen (35) und die damit einstückig verbundenen ersten und zweiten Bauteile (37₅ 37') mit den an ihrem Platz befestigten Biegeelement-Klingen (40) mit dem zweiten Kardanrahmen (36) und den damit einstückig verbundenen dritten und vierten Bauteilen (38, 38') mit an ihrem Platz befestigten Biegeelement-Klingen (41) derart zusammengebaut werden,

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daß die ersten und zweiten Kardanrahmen (35» 36) und die ersten und dritten, zweiten und vierten Bauteile ineinander passen, daß die zusammengebauten Teile so ausgerichtet werden, daft die ersten und zweiten Kippachsen jeder der einstückigen Anordnungen miteinander ausgerichtet sind, daß die ersten und dritten und die zweiten und vierten zylindrischen Bauteile aneinander befestigt werden und daß schließlich alle Verbindungsstege (69) entfernt werden, so daß die ersten und zweiten Kardanrahmen (35, 36) über die Biegeelement-Klingen (40, 41) biegsam mit den miteinander verbundenen ersten und dritten und zweiten und vierten zylindrischen Bauteilen verbunden bleiben.

13« Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Laufwelle (13) an dem ersten langgestreckten hohlzylindrischen Rohling (50) als einstückige koaxiale Verlängerung hiervon ausgebildet ist und daß der sich ergebende erste Kardanrahmen (35) und die sich ergebenden ersten und zweiten Bauteile (37, 37') mit an ihrem Platz befindlichen Biegeelement-Klingen (40) in dem zweiten Kardanrahmen (36) und den dritten und vierten Bauteilen(38, 38') mit an ihrem Platz befindlichen Biegeelement-Klingen (41) befestigt werden.

14. Dynamisch abgestimmter Biegeelement-Kreiselmeßfühi-er mit lagerfreiem Rotor mit einem oder mehreren Kardanrahmen, die ein Rotorbefestigungsteil und eine Rotorantriebswelle über eine Anzahl von Biegeelementen mitteinander verbinden und eine abgestimmte Universalgelenk-Verbindung zwischen diesen Teilen bilden, dadurch gekennzeichnet,

daß der Meßfühler zusätzlich eine Anzahl von eine im wesentlichen gleiche Länge aufweisenden Spalten aufweist, die zwischen den Kardanrahmen (35, 36) und den Bauteilen ausgebildet sind, daß eine Anzahl von Schlitzen in den Bauteilen ausgebildet ist und sich kollinear von den Wänden der Spalte erstreckt und daß eine entsprechende Anzahl von getrennten Biegeelement-Klingen mit im wesentlichen identischen Federcharakteristiken vorgesehen ist, deren Enden in die Schlitze eingesetzt und darin befestigt sind, während ihre Mittelteile die Spalte überbrücken.

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