DE3207609A1

DE3207609A1 - Flywheel or reaction wheel

Info

Publication number: DE3207609A1
Application number: DE19823207609
Authority: DE
Inventors: Werner Dr.-Ing. 6901 Wiesenbach Auer
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1981-04-11
Filing date: 1982-03-03
Publication date: 1982-10-28
Also published as: DE3207609C2

Abstract

The invention relates to a flywheel or reaction wheel as is used, for example, for orientation control in space vehicles. In order to prevent the wheel bearing being overstressed by resonant overshoots during periodic external excitations, as occur during launching, it is proposed according to the invention for the flywheel mass to be split into a plurality of sub-masses, for the latter to be connected to the bearing unit via separate spokes or the like, and for the sub-systems formed in this way to have resonant frequencies which differ from one another. Furthermore, measures are proposed for damping the oscillations which occur. <IMAGE>

Description

Schwung- oder Reaktionsrad Flywheel or reaction wheel

Die Erfindung betrifft ein Schwung- oder Reaktionsrad bestehend aus einer Lagereinheit, aus einer Schwungmasse, aus die Lagereinheit mit der Schwun gmasse verbindenden Verbindunosmitteln, insbesondere Speichen und aus Mitteln zur Herabsetzung der Beanspruchung der Lagereinheit durch die bei der Resonanzfrequenz auftretenden Resonanzüberhöhungen.The invention relates to a flywheel or reaction wheel consisting of a storage unit, a flywheel, the storage unit with the Schwun G-mass connecting connecting means, in particular spokes and means for Reduction of the stress on the bearing unit due to the resonance frequency occurring resonance peaks.

Mit einem derartigen Schwungrad soll bei einer bestimmten Drehzahl ein vorgeschriebener Drall erreicht werden, wobei die z.B. für die Raumfahrttechnik wesentlichen Forderungen nach geringem Gewicht und hoher Zuverlässigkeit erfüllt werden müssen. Da bei einem rotierenden Körper das Trägheitsmoment und somit der Drall vom Quadrat des Abstandes der drehbaren Masse abhängig ist, wird die Schwungmasse am äußeren Radius des Rotors vorgesehen; diese ist mittels Verbindungselementen beispielsweise Speichen mit dem Lager verbunden. Ein solcher Rotor stellt jedoch aufgrund der wenn auch geringen elastischen Verformbarkeit von Schwungring und Verbindungselementen ein schwingungsfähiges System dar, Insbesondere beim Start des Raumfahrzeuges können bei Auftreten von äußeren Anregungen mit der Resonanzfrequenz des Systems sehr große Belastungsspitzen auftreten, die zu Beschädigungen des Lagers, wenn nicht gar .u völliger Unbrauchbarkeit des gesamten Schwungrades führen können.With such a flywheel should be at a certain speed a prescribed twist can be achieved, e.g. for space technology essential requirements for low weight and high reliability are met Need to become. Since with a rotating body the moment of inertia and thus the Twist depends on the square of the distance between the rotatable mass, becomes the flywheel provided on the outer radius of the rotor; this is by means of fasteners for example, spokes connected to the bearing. However, such a rotor provides due to the elastic deformability of the flywheel and connecting elements, albeit low a vibratory system, especially when the spacecraft is launched when external excitations occur with the resonance frequency of the system very large Load peaks occur that damage the bearing, if not at all .u can lead to complete uselessness of the entire flywheel.

Aus der DE-OS 22 25 925 ist ein Schwungrad bekannt, bei dem zur Reduzierung dieser Lagerbeanspruchungen Dämpfungsvorrichtungen in bzw. an den Verbindungselementen vorgesehen sind.From DE-OS 22 25 925 a flywheel is known in which to reduce these bearing loads damping devices in or on the connecting elements are provided.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine weitere und gegebenenfalls zusätzlich anwendbare Maßnahme an zu geben, mit der die große Lagerbeanspruchung durch die Resonanzüberhöhung vermindert wird.The underlying object of the invention is to provide a further and, if applicable, to indicate the additional applicable measure with which the major Bearing stress is reduced by the increase in resonance.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.This object is achieved by the features specified in claim 1.

Durch die erfindungsgemäße Lösung tr.itt immer nur für eine Teilsystem bestehend aus Teilschwungmasse und zugehörigen Verbindungsmitteln bei äußeren Anregungen z.B.The solution according to the invention only ever occurs for one subsystem consisting of a partial flywheel and associated connecting means for external stimuli e.g.

Vibrationen eine Resonanzüberhöhung auf; damit ist auch die Lagerbelastung entsprechend herabgesetzt bzw. man kann kleinere Lager verwenden, die dann entsprechend eine kleinere Reibung aufweisen.Vibrations cause an excessive resonance; so is the bearing load accordingly reduced or you can use smaller bearings, which then accordingly have less friction.

Die bei der erfindungsgemäßen Auslegung auftretende Eigenschaft des Gesamtsystems, daß nämlich, wenn ein Teilsystem Resonanzüberhöhungen zeigt, das andere entweder weitgehend in Ruhe ist (im überkritischen Fall) oder praktisch nur mit der Erregeramplitude schwingt (im unterkritischen Fall), läßt sich zur dämpfenden Einwirkung auf das stark schwingende Teilsystem nutzen, in dem man entweder Dämpfungselemente z.B. einen Reibbelag zwischen dem Teilsystemen vorsieht. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, benachbarte Teilsysteme so anzuordnen, daß sie normalerweise sich nicht berühren, daß aber das in Resonanz befindliche System am anderen System anschlägt und damit eine Begrenzung der Schwingamplitude erfolgt. Die sich dabei berührenden Flächen der Verbindungsmittel und/oder der Teilmassen müssen schlagfest ausgebildet sein.The property of the occurring in the design according to the invention Overall system, namely that if a subsystem shows excessive resonance, the others are either largely at rest (in the supercritical case) or practically only oscillates with the excitation amplitude (in the subcritical case), can be used to dampen Use effect on the strongly oscillating subsystem, in which one either damping elements e.g. provides a friction lining between the subsystems. One more way consists in arranging neighboring subsystems so that they normally overlap do not touch, but that the system in resonance strikes the other system and thus a limitation of the oscillation amplitude he follows. Which Any contacting surfaces of the connecting means and / or the partial masses must be impact-resistant be trained.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.The invention is explained in more detail with the aid of the drawing.

Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.There are shown: FIG. 1 a section through an exemplary embodiment of FIG Invention.

Fig. 2 ein Diagramm, das das Verhalten der Teilsysteme des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 bei sich ändernder Frequenz der Vibrationen zeigt.2 is a diagram showing the behavior of the subsystems of the exemplary embodiment 1 shows the frequency of the vibrations changing.

In Fig. 1 ist mit 1 der Stator des Schwungrades bezeichnet, mit 2 eine daran gelagerte Radnabe. Es sind zwei nebeneinanderliegende Teilschwungmassen 3 und 4 gezeigt, die aufgeschnitten sind und mittels Speichen mit der Nabe 2 verbunden sind. Es ist hier für jedes Teilsystem nur jeweils eine Speiche 5 bzw. 6 gezeigt. Diese Speichen können in der in der DE-OS 22 25 925 beschriebenen Weise dämpfend ausgebildet bzw. dämpfend mit den Teilmassen verbunden sein.In Fig. 1, 1 denotes the stator of the flywheel, and 2 a wheel hub mounted on it. There are two adjacent partial centrifugal masses 3 and 4 are shown cut open and connected to the hub 2 by means of spokes are. Only one spoke 5 or 6 is shown here for each subsystem. These spokes can be damped in the manner described in DE-OS 22 25 925 be designed or connected to the partial masses in a damping manner.

Eine der Teilmassen 3 oder 4 trägt einen Reibbelag 7 an dem die andere Teilmasse anliegt. Treten Schwingungen in Umfangsrichtung und/oder in radialer Richtung auf, so werden diese durch die auftretende Reibung gedämpft.One of the partial masses 3 or 4 carries a friction lining 7 on which the other Partial mass is applied. If vibrations occur in the circumferential direction and / or in the radial direction on, they are dampened by the friction that occurs.

Auslenkungen in axialer Richtung werden begrenzt und gedämpft.Deflections in the axial direction are limited and dampened.

Durch unterschiedliche Ausbildung der Speichen 5, 6 und/ oder der Teilmassen 3, 4 werden bewußt Teilsysteme gebildet, die unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen.By different training of the spokes 5, 6 and / or the Partial masses 3, 4 are consciously formed subsystems that have different resonance frequencies exhibit.

Das Verhalten der Teilsysteme bei sich ändernder Frequenz der äußeren Anregung (Vibration) zeigt Fig. 2.The behavior of the subsystems when the frequency of the external changes Excitation (vibration) is shown in FIG. 2.

Dort ist über der Frequenz f die Amplitude der Schwingungen der Teilsysteme bzw. der Erregung aufgetragen.There the amplitude of the oscillations of the subsystems is above the frequency f or the excitation applied.

Der Verlauf des einen Teilsystems ist mit 20, der des anderen mit 21 bezeichnet. Unterhalb ihrer Resonanzfrequenz schwingen die beiden Teilsysteme entsprechend der Erregeramplitude 24 (unterkritischer Bereich). In der Nähe ihrer Resonanzfrequenzen f1 und f2 steigen die Schwingungsamplituden stark an, um danach sich assymtotisch der O-Amplitude zu nähern (überkritischer Bereich). Die Resonanzfrequenzen der Systeme sind auseinandergelegt, sodaß bei diesen Frequenzen f1 bzw. f2 nur jeweils ein Teilsystem das Lager wesentlich belastet. Es ergeben sich für die beiden Teilsysteme bei diesen Frequenzen f1 und f2 große Amplitudenunterschiede 22 bzw.The course of one subsystem is 20, that of the other with 21 designated. The two subsystems vibrate below their resonance frequency corresponding to the exciter amplitude 24 (subcritical range). Near her At resonance frequencies f1 and f2, the oscillation amplitudes rise sharply, after which to approach the O amplitude assymtotically (supercritical range). The resonance frequencies the systems are disassembled so that at these frequencies f1 and f2 only in each case a subsystem puts a significant load on the warehouse. It results for the two subsystems at these frequencies f1 and f2 large amplitude differences 22 and

23, die ein Indiz für diese getrennte Belastung durch die Teilsysteme darstellen, die jedoch zur Dämpfung mit ausnutzbar sind, da große Relativbewegungen zwischen den Teilsystemen entstehen.23, which is an indication of this separate burden on the subsystems which, however, can also be used for damping, since large relative movements arise between the subsystems.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt.In Fig. 3, a further embodiment is shown.

Hier ist der geschnitten gezeigte Stator mit 31, die Radnabe mit 32, und zwei Kugellager mit 30 bezeichnet. Die hier anders ausgebildeten Speichen tragen die Bezugszeichen 35 und 36. Die beiden Massen 33 und 34 haben eine solche Form, daß sie, da die Systeme 35 und 33 bzw. 36 und 34 wieder unterschiedliche Resonanzschwingungen aufweisen, sowohl bei axialen als auch bei radialen Schwingungen in Berührung kommen, und zwar aneinander anschlagen, wenn ein axialer und/oder radialer Zwischenraum - wie dargestellt -vorgesehen ist, oder aneinander reiben, wenn die Massen so ausgebildet sind, daß sie sich auch ohne Anregung berühren und eventuell sogar einen speziellen Reibbelag für beide Bewegungsrichtungen aufweisen, der z.B. eine geschwindig'keitsabhängige Dämpfung bewirkt.Here is the stator shown in section with 31, the wheel hub with 32, and two ball bearings designated by 30. The spokes, which are differently designed here, carry the reference numerals 35 and 36. The two masses 33 and 34 have such a shape that, since the systems 35 and 33 or 36 and 34, they again have different resonance vibrations come into contact with both axial and radial vibrations, namely to hit each other if there is an axial and / or radial gap - as shown - is provided, or rub against each other if the masses are so designed are that they touch each other even without stimulation and possibly even a special one Have friction lining for both directions of movement, e.g. a speed-dependent one Causes damping.

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Claims

Claims 1. Flywheel or reaction wheel consisting of a Bearing unit, from a flywheel, from the bearing unit with the flywheel connecting connecting means, in particular spokes and means for reducing the stress on the bearing unit caused by those occurring at the resonance frequency Resonance peaks, characterized in that the flywheel consists of at least two partial masses that separate connecting means are provided for both partial masses and that the connecting means and / or the partial masses are designed in such a way that they with a periodic external excitation at different frequencies Show resonance peaks.

2. flywheel or reaction wheel according to claim 2, characterized in that that the partial masses and / or connecting means to each other via damping members are connected.

3. flywheel or reaction wheel according to claim 2, characterized in that that a friction lining is provided between the partial masses and / or connecting means is.

4. flywheel or reaction wheel according to claim 1, characterized in that that the connecting means and the partial masses are constructed in such a way that they normally do not touch, on the other hand, in the case of resonance peaks on a subsystem come into contact periodically and that the contact surfaces of the subsystems are impact-resistant are trained.