DE3528690A1

DE3528690A1 - Biegebefestigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE3528690A1
Application number: DE19853528690
Authority: DE
Inventors: Frank R. Needham Mass. Archibald; Donald William East Walpole Mass. Carow; Robert O. Westwood Mass. Westhaver
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1984-08-31
Filing date: 1985-08-09
Publication date: 1986-03-06
Also published as: FR2571490B1; JPS6166120A; FR2571490A1; DE3528690C2; JPH0545122B2; GB2163849B; GB2163849A; US4655096A; GB8520940D0

Description

NORTHROP CORPORATION Los Angeles, California 9oo67, V.St.A.

Biegebefestigungsvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Biegebefestigungsvorrichtungen für umlaufende Teile, insbesondere auf eine stark vereinfachte Biegebefestigungsvorrichtung für ein dynamisch abgestimmtes, zwei Freiheitsgrade aufweisendes Gyroskop, mit sehr guten Betriebs-Charakteristiken und langer Lebensdauer. Wie in der eigenen US-Patentanmeldung Serial-Nr. 231 242 vom 3. Feb. 1981 erläutert ist, erfordern dynamisch abgestimmte Gyroskope eine Kupplung zwischen einer umlaufenden Welle und einer Masse, typischerweise einem Rotor, der auf der Welle gehaltert ist.

Die Kupplung muß eine Anzahl Kriterien erfüllen. Erstens muß sie in wirksamer Weise Drehmoment von der Welle zum Rotor übertragen können, während sie den Rotor normalerweise in einer im allgemeinen vorbestimmten Lage sowohl axial als auch radial in bezug auf die Welle hält. Zweitens muß sie um jede Achse in einer Rotationsebene, die zur Hauptachse senkrecht verläuft, drehelastisch sein. Ferner muß die Kupplungsvorrichtung einen Anti-Federeffekt erzeugen, der die Federkupplung in der Rotationsebene ausgleicht, wenn das Gyroskop mit seiner Eigendrehgeschwindigkeit läuft. Außerdem sollte die Kupplung

im wesentlichen reibungsfrei und isoelastisch sein, d. h., sie sollte in jeder Drehrichtung senkrecht zur Hauptachse im wesentlichen gleichförmige Elastizität aufweisen. Es ist außerdem sehr erwünscht, daß die axiale, radiale und Drehsteifigkeit der Aufhängung exakt errechenbar und herstellbar ist, so daß eine Aufhängung konstruiert werden kann, die die verlangten isoelastischen Bedingungen erfüllt.

Die ÜS-PS'en 3 452 608, 3 512 419 sowie 3 702 568 beschreiben mehrere Anordnungen, die die vorgenannten Aufgaben lösen sollen. Die US-PS 3 512 419 beschreibt eine biegsame Gelenkanordnung mit vier Armen, die jeweils im wesentlichen V-Querschnitt haben, und in der US-PS 3 452 608 haltert ein zentraler Verbindungsring vier jeweils rohrförmige radial verlaufende "Drehgelenke".

Die Aufhängung nach der US-PS 3 702 568 umfaßt eine im wesentlichen flache "Scheibe". Diese hat einen an einer Nabe befestigten mittigen Abschnitt, Zwischenstege, die an einem Kardanring befestigt sind, sowie einen äußeren "Ringkörper", der an einem "äußersten" Rotorring oder einem Rotor befestigt ist. Ein Satz flache "Speichen" verbindet den mittigen Abschnitt der Scheibe mit dem äußeren Ringkörper. Die Konstruktionen der drei vorgenannten US-PS'en sind in der eingangs angegebenen US-Patentanmeldung diskutiert.

Die Aufhängungen gemäß den drei US-PS'en zeigen zwar Kupplungen, die für den Gebrauch in einem dynamisch abgestimmten Gyroskop geeignet sind, jedoch weisen sie sämtlich Nachteile auf, die ihre Brauchbarkeit einschränken. Z. B. ist es nicht einfach, Komponenten des Gyroskops mit der Aufhängungsvorrichtung während Montage- und Herstellungsvorgängen exakt auszurichten. Allgemein benötigen diese bekannten Aufhängungen relativ komplizierte und teure Aufspannvorrichtungen zur Ausrichtung der Bestandteile der Vorrichtung und Unterhaltung dieser Ausrichtung während Arbeitsvorgängen wie Hartlöten oder maschinelles Bearbeiten. Die Spannvorrichtungen umfassen

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außerdem typischerweise Mittel zur Kontrolle der Plazierung und/oder des Flusses von Lötmaterial zum Aneinanderbefestigen der Teile. Das Betriebsverhalten dieser Systeme ist auch nicht optimal. Insbesondere bei den rohrartigen Gelenkvorrichtungen ist es in der Praxis schwierig, eine wirklich isoelastische Halterung zu erzielen, da die Wandstärke und die Biegeeigenschaften des Rohrmaterials nicht ohne weiteres innerhalb extrem enger Toleranzen eingehalten werden können. Die Vorrichtung gemäß der US-PS 3 702 568 dagegen verlangt eine präzise und teure maschinelle Bearbeitung von typischerweise sehr kleinen Komponenten. Außerdem hat keine der drei Vorrichtungen eine lange Lebensdauer.

In der eingangs genannten US-Patentanmeldung ist eine verbesserte Biegebefestigungsvorrichtung für ein dynamisch abgestimmtes Gyroskop oder ein ähnliches Präzisionsgerät angegeben. Dabei wird ein im wesentlichen ebener sternförmiger Körper verwendet, der quer zur Hauptachse des Rotors orientiert ist. Der sternförmige Körper weist einen auf der Hauptachse zentrierten Mittenabschnitt und mehrere im wesentlichen rechteckförmige Stege auf, die vom Mittenabschnitt radial zu einem äußeren Ringabschnitt verlaufen, der ebenfalls auf der Hauptachse zentriert ist. Bei der bevorzugten Ausfuhrungsform weist der sternförmige Körper vier Stege auf. Die Biegebefestigungsvorrichtung umfaßt ferner sich kreuzende Biegeorgane, die im wesentlichen rechteckförmig sind mit Ausnahme von zwei im wesentlichen rechteckigen Federabschnitten, die an einer Längskante ausgebildet und von der Mitte des Organs gleichbeabstandet sind. Jeder Federabschnitt verläuft frei durch einen zugehörigen Radialschlitz, der längs der Mitte jedes Stegs ausgebildet ist. Der sternförmige Körper und die sich kreuzenden Biegeorgane sind bevorzugt aus gewalztem Blech gleichmäßiger Stärke geätzt und weisen im wesentlichen gleichförmige Biegeeigenschaften auf.

Bei der Herstellung einer solchen Biegebefestigungsvorrichtung wird der Mittenabschnitt des sternförmigen Körpers zwischen

eine obere und eine untere Hälfte einer Nabe oder eines Innenrings (eines Kardanrings eines Gyroskops) gelegt. In gleicher Weise wird der äußere Ringkörper des sternförmigen Körpers zwischen eine obere und eine untere Hälfte eines Außenrings gelegt. Der Innenring hat eine mittige zylindrische Öffnung, die zur Hauptachse koaxial ist. Der Mittenabschnitt des sternförmigen Körpers weist ebenfalls eine Mittenöffnung mit den gleichen Abmessungen wie die Öffnung des Innenrings auf. Die oberen und die unteren Hälften des Innenrings und des äußeren Rings weisen eine Serie von Radialschlitzen auf, die die sich kreuzenden Organe aufnehmen und festlegen.

Diese Komponenten werden so zusammengefügt, daß die sich kreuzenden Biegeorgane orthogonal zueinander und zum sternförmigen Körper stehen. Die beiden Federabschnitte des einen Biegeorgans stehen durch zwei diametral entgegengesetzte Radialschlitze in den Stegen nach "oben", und die beiden Federabschnitte des anderen Biegeorgans stehen durch die beiden übrigen Schlitze nach "unten". Die Federabschnitte verlaufen ausreichend weit in Vertikalrichtung, so daß die Länge jedes Biegeorgans oberhalb und unterhalb des "horizontalen" Stegs des sternförmigen Körpers im wesentlichen gleich ist.

Ein Zentrierorgan, bevorzugt ein zylindrischer Stift, wird engpassend in den miteinander fluchtenden Mittenöffnungen des inneren Kardanrings und des sternförmigen Körpers aufgenommen. Der Zentrierstift weist einen Satz von in Längsrichtung verlaufenden und zueinander senkrechten Schlitzen auf, die die sich kreuzenden Biegeorgane in der erwünschten orthogonalen Lage zueinander aufnehmen und haltern.

Zur Fertigstellung der Vorrichtung werden die oberen und unteren Hälften des Innenrings und des äußeren Rings mit dem sternförmigen Körper und den sich kreuzenden Biegeorganen verlötet. Diese Ringkomponenten werden bevorzugt durch einfache Bearbeitungsschritte geformt. Das Hartlot wird bevorzugt in

Form von scheibenartigen Ringkörpern eingefügt, die während des Zusammenbaus sandwichartig, zwischen die oberen und unteren Ringkomponenten und den sternförmigen Körper gelegt werden. Wenn die Komponenten so zusammengesetzt sind, wird die Einheit auf eine Temperatur erwärmt, bei der das Hartlot schmilzt. Bei diesem Schritt wird die Vorrichtung gleichzeitig an verschiedenen Stellen verlötet unter Bildung einer einheitlichen Biegebefestigungsvorrichtung. Die Weite der Radialschlitze in den Ringen ist so gewählt, daß das flüssige Hartlot aufgrund von Kapillarwirkung in die Schlitze fließt, um die vertikalen Biegeorgane festzulegen. Schließlich werden der äußere Ring und der zwischengelegte ringförmige Abschnitt des sternförmigen Körpers an vier gleichwinklig beabstandeten Stellen durchtrennt unter Bildung von vier voneinander unabhängigen Sektoren des äußeren Rings, die jeweils auf einem der vier oder mehr Biegearme zentriert sind.

Die Biegebefestigungsvorrichtung der genannten US-Patentanmeldung hat sich als sehr brauchbar erwiesen und hat im praktischen Gebrauch ein sehr gutes Betriebsverhalten. Ferner hat sie alle in sie gesetzten Erwartungen hinsichtlich einfacher und kostengünstiger Herstellung erfüllt. Eine wesentliche Einschränkung besteht jedoch immer noch, nämlich eine verkürzte Lebensdauer der mit der Biegebefestigungsvorrichtung verwendeten Gyroskope bei Auftreten von hohen mechanischen Spannungen, etwa im Fall von Schwingungen. Diese verkürzte Lebensdauer resultiert aus einer ungünstigen Spannungsverteilung in der Biegebefestigungsvorrichtung, da die Spannungen an den Verbindungsstellen der im wesentlichen rechteckförmigen Stege mit dem massiven mittigen Abschnitt und dem Ringabschnitt des sternförmigen Körpers unverhältnismäßig hoch sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Biegebefestigungsvorrichtung, bei der solche hohen Biegespannungen beseitigt sind und ein Versagen der Vorrichtung vermieden wird; dabei soll speziell eine längere Lebensdauer und Stabilität von Instrumenten, die die Vorrichtung

verwenden, insbesondere von dynamisch abgestimmten Gyroskopen mit zwei Freiheitsgraden, erzielt werden.

Die Erfindung betrifft insbesondere die Stege des sternförmigen Körpers einer Biegebefestigungsvorrichtung in einem dynamisch abgestimmten Gyroskop. Dabei werden nicht Stege mit im wesentlichen Rechteckform und einer Rechtecköffnung verwendet, sondern die bevorzugte Konstruktion wird zu einem Schenkel konstanter Festigkeit geformt, indem jeder Steg aus zwei Abschnitten gebildet ist und jeder Abschnitt die Form von zwei an ihren Scheitelpunkten miteinander verbundenen parabolischen Elementen hat. Auf diese Weise bilden jeweils zwei Paare von einseitig eingespannten Schenkeln einen Steg des sternförmigen Körpers, und die höchste Festigkeit der Stege wird an den Punkten maximaler Biegebeanspruchung erhalten, wenn das Gyroskop in Betrieb ist.

Die Biegebefestigungsvorrichtung nach der Erfindung für ein Trägheitsinstrument, das eine Antriebswelle und ein angetriebenes umlaufendes Teil aufweist, die normalerweise koaxial zu einer Hauptachse verlaufen, zum Verbinden der Antriebswelle mit dem angetriebenen umlaufenden Teil, wobei eine winkelmäßige Auslenkung des angetriebenen Teils mit zwei Freiheitsgraden um zur Hauptachse senkrechte Achsen, möglich ist, ist gekennzeichnet durch einen sternförmigen Körper, der normalerweise quer zur Hauptachse angeordnet ist und vier gleichwinklig beabstandete Stege aufweist, die von einem inneren Mittenbereich angrenzend an die Antriebswelle zu einem äußeren Ringbereich angrenzend an das umlaufende Teil verlaufen, wobei jeder Steg zwei gleichartige Abschnitte umfaßt, deren jeder die ungefähre Form von zwei an ihren Scheitelpunkten miteinander verbundenen Parabeln hat.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Perspektivansicht einer Biegebefestigungsvorrichtung für ein dynamisch abgestimmtes Gyroskop, wobei die Verbindung von zwei Paaren von Außenringsektoren mit einem inneren Kardanring gezeigt ist;

Fig. 2 teilweise im Vertikalschnitt entlang der Linie 2-2 von Fig. 1 eine Seitenansicht, wobei ein Zentrierstift vorgesehen ist;

Fig. 3 eine Explosionsansicht der Biegehalterung nach den Fig. 1 und 2, wobei Teile einschließlich eines sternförmigen Körpers vor ihrer endgültigen Trennung und Montage gezeigt sind; und

Fig. 4 bis

Fig. 8 Diagramme, die die Evolution der Parabolkonfiguration des Doppelstegs zeigen.

Die Fig. 1-3 zeigen ein dynamisch abgestimmtes Gyroskop mit Mitteln zur Kraftübertragung von einer Antriebswelle (nicht gezeigt), die um eine Hauptachse 14 rotiert, auf Teile eines Außenrings 16. Nach Fig. 1 ist der Außenring 16 in vier Abschnitte 16a, 16b, 16c und 16d unterteilt, die um die Hauptachse gleichwinklig beabstandet sind und im wesentlichen die gleiche träge Masse aufweisen. Wie noch im einzelnen erläutert wird, ist die Antriebswelle betriebsmäßig mit einem diametral entgegengesetzten Paar von Ringabschnitten, etwa den Abschnitten 16a und 16c, verbunden. Ein Rotor (nicht gezeigt) ist typischerweise an den beiden übrigen diametral entgegengesetzten Abschnitten 16b und 16d befestigt, die typischerweise einen geringfügig größeren Außendurchmesser als die Abschnitte 16a und 16c haben.

Fig. 1 zeigt eine montierte Kardankupplung zwischen der Antriebswelle und dem Rotor mittels vier Biegearmen 18a, 18b, 18c und 18d. Jeder Arm erstreckt sich radial von einem inneren Kardanring 20 zum Mittelpunkt eines zugehörigen Abschnitts des Außenrings 16. Da die Biegearme 18a-18d federelastisch sind, ergibt sich durch diese Anordnung eine Kardankupplung zwischen

der Antriebswelle und dem Rotor; d. h._f der Rotor hat zwei Freiheitsgrade relativ zur Antriebswelle. Der Querschnitt jedes Biegearms 18a-18d ist durch eine hohe Belastbarkeit in axialer und radialer Richtung charakterisiert. Diese Konstruktion weist normalerweise auch eine niedrige Drehfederkonstante auf.

Die Biegebefestigungsvorrichtung 12 ist aus einer Gruppe von ineinandergreifenden Komponenten hergestellt, umfassend einen sternförmigen Körper 22 und zwei identische, orthogonal angeordnete, sich kreuzende Biegearme 24 und 24¹. Der sternförmige Körper 22 ist im wesentlichen quer zur Hauptachse 14 der Rotoranordnung 12 orientiert. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung wird die Hauptachse 14 als vertikal orientiert angenommen; somit ist der sternförmige Körper im wesentlichen horizontal orientiert.

Der sternförmige Körper weist einen Mittenabschnitt 26 auf, der auf der Hauptachse 14 zentriert ist. Im Mittenabschnitt 26 ist eine kreisrunde öffnung 28 ausgebildet, die ihrerseits auf der Hauptachse 14 zentriert ist. Ferner weist der sternförmige Körper vier sich radial erstreckende Stege 30a, 30b, 30c und 3Od auf, die in einem äußeren Ringabschnitt 32 enden, der um die Hauptachse 14 konzentrisch ist. Die Stege 30a-30d sind gleichwinklig beabstandet. Jeder Steg umfaßt eine radial orientierte, ungefähr elliptische Öffnung 34, die in identischen Endnuten 34a, 34b endet. Die Endnuten 34a bilden kurze radiale Einschnitte im Mittenabschnitt 26, und die Endnuten 34b bilden gleichartige Einschnitte im Ringabschnitt 32. Der sternförmige Körper 22 ist insgesamt so ausgelegt, daß sich eine im wesentlichen gleichförmige Verteilung der tragen Masse um die Hauptachse 14 ergibt.

Jeder der sich kreuzenden Biegearme 24 und 24' ist im wesentlichen rechteckförmig, wobei sich jedoch von dem einen Längsrand jedes Biegearms zwei voneinander beabstandete Federabschnitte 36 erstrecken. Jeder Federabschnitt ist selbst im

wesentlichen rechteckförmig und paßt eng in jeweils zugehörige Endnuten 34a und 34b, wobei zwischen den Federabschnitten 36 und den breiteren Abschnitten der Öffnungen 34 kein Kontakt besteht.

Ein Federabschnittpaar, das mit dem Biegearm 24 zusammenwirkt, springt nach unten vor, während die dem Biegearm 24' zugeordneten beiden Federabschnitte 36 nach oben verlaufen. Die Höhe der Federabschnitte und der sich kreuzenden Biegearme in Vertikalrichtung ist so gewählt, daß dann, wenn die Federabschnitte vollständig in die radialen Endnuten eingefügt sind (wobei der angrenzende Längsrand des Biegearms an dem sternförmigen Körper 22 anliegt), die Biegearme oberhalb und unterhalb des sternförmigen Körpers um den gleichen Betrag vorspringen. Die Länge jedes Federabschnitts 36 ist so gewählt, daß der Federabschnitt vom Innenring 20 zum Außenring 16, jedoch nicht bis zum Grund der jeweils zugehörigen Nuten 34a und 34b verläuft. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Teile 22, 24 und 24' durch Ätzen, Stanzen oder andere Formvorgänge aus präzisionsgewalztem Blech herstellbar sind und eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke sowie erwünschte Konstruktions- und thermoelastische Eigenschaften aufweisen. Die Mittenöffnung 28 kann im gleichen Vorgang geätzt oder gestanzt oder in einem anschließenden Schritt durch Aufweiten oder Bohren geformt werden. Ein geeigneter Werkstoff ist ein ausscheidungsgehärteter rostfreier Stahl der Serie 300. Die Faserlaufrichtung des Werkstoffs oder des Walzvorgangs wird bevorzugt so gewählt, daß sie mit der Längsachse der sich kreuzenden Biegearme zusammenfällt und in der Mitte zwischen aneinandergrenzenden Stegen des sternförmigen Körpers liegt. Es ist zu beachten, daß jedes dieser drei Bauelemente der Biegebefestigungsvorrichtung im wesentlichen eben ist.

Der innere Kardanring 20 besteht aus zwei identischen Ringhälften, nämlich einer oberen Hälfte 20' und einer unteren Hälfte 20", mit einer mittigen, vertikal verlaufenden Öffnung 38, die mit der öffnung 28 des sternförmigen Körpers in Aus-

richtung bringbar ist. Jede Hälfte 20' und 20" umfaßt ferner ein Paar von zueinander senkrechten Schlitzen 40, die über die entgegengesetzten Endflächen jeder Ringhälfte verlaufen. Die sich kreuzenden Biegearme passen eng in die jeweiligen Schlitze 40 und tragen zur Halterung und Festlegung der Biegearme in der erwünschten vertikalen Orientierung in bezug auf den sternförmigen Körper bei. Die Schlitze 40 sind jedoch geringfügig breiter als die Dicke der Biegearme, um den Fluß eines Lotmaterials durch Kapillarwirkung zu den angrenzenden Flächen dieser Elemente zu erleichtern. Der Innenring 20 kann natürlich zur Änderung seiner Trägheit und somit zur Änderung der abgestimmten Drehgeschwindigkeit des Gyroskops getrimmt werden. Alternativ können getrennte Trimmelemente an der Vorrichtung vorgesehen werden.

Ebenso wie der innere Kardanring 20 besteht der Außenring aus einer oberen und einer unteren Ringhälfte 16' und 16". Die Hälften 16' und 16" sind im wesentlichen identisch und haben im wesentlichen Rechteckquerschnitt. Jede Außenringhälfte 16' und 16" weist ferner einen zueinander senkrechten Satz von Horizontalschlitzen 46 auf. Die Horizontalschlitze 46 sind so positioniert, daß sie die äußeren Enden 24a, 24a¹ der vertikalen sich kreuzenden Biegearme 24 und 24' im wesentlichen engpassend aufnehmen. Sowohl die Schlitze 40 als auch die Schlitze 46 sind so ausgebildet, daß sie die Enden der Federabschnitte 36 aufnehmen. Ebenso wie die Schlitze 40 sind die Schlitze 46 üblicherweise etwas breiter als die Dicke der Biegearme, um den Fluß von Lötmaterial zu diesen Flächen zu erleichtern.

Die Rotoreinheit 12 umfaßt einen Zentrierstift 48, der in den miteinander fluchtenden öffnungen 28 und 38 engpassend gehalten ist, wie am besten aus Fig. 2 hervorgeht. Der Zentrierstift hat bevorzugt runden Querschnitt und weist zwei in Längsrichtung verlaufende Schlitze 48" auf, die zueinander senkrecht verlaufen. Die Schlitze nehmen die Biegearme 24, 24' auf, haltern sie und richten sie in bezug auf die Hauptachse

sowie den sternförmigen Körper und den inneren Kardanring aus. Die Halterungsfunktion des Zentrierstifts bewirkt ferner zum Teil, daß die Vorrichtung weitgehend selbsthalternd ist.

Ring- oder scheibenförmige Elemente aus Lotmaterial, z. B. die Lotelemente 52 und 54 (Fig. 3), werden zwischen die Innen- und Außenringhälften und den sternförmigen Körper gelegt. Alternativ kann das Lotmaterial als stabähnliche Masse in eine Serie von Lötlöchern (nicht gezeigt) eingebracht werden, die in den Ringhälften ausgebildet sind.

Wenn das Lot die Schmelztemperatur erreicht, fließt es zu den angrenzenden Flächen der Ringe und des sternförmigen Körpers einschließlich der Nuten bzw. Schlitze der vertikalen Biegearme und der Ringe und legt diese Teile aneinander fest.

Es ist auch möglich, die Lötlöcher in Verbindung mit in den Ringhälften ausgebildeten ringförmigen Löterhöhungen zu verwenden.

Die vorbeschriebenen Komponenten eignen sich speziell für ein schnelles und kostengünstiges Montageverfahren, das wenig oder keine technischen Kenntnisse erfordert. Bei der Montage gemäß der Erfindung wird bevorzugt nur eine einfache Einspannvorrichtung (nicht gezeigt) verwendet, die die Ringe haltert und ein mittiges Loch aufweist, in dem der Zentrierstift 48 aufgenommen wird und das zu den Außenringen konzentrisch ist.

Zum Zusammenbau der Komponenten werden die untere Außenringhälfte 16" und die untere Innenringhälfte 20" durch den unteren Biegearm 24' miteinander verbunden, der in zwei Schlitzen 40 des Innenrings und zwei Schlitzen 46 des Außenrings sitzt. Das Lotmaterial 52 und 54 wird auf die unteren Ringhälften 16" und 20" aufgebracht. Dann wird der sternförmige Körper auf diese Komponenten so aufgepaßt, daß die Enden der nach oben vorstehenden Federabschnitte 36 des Biegearms 24" in Endnuten 34a und 34b eingreifen. Der obere Biegearm wird montiert,

indem die nach unten vorspringenden Federabschnitte 36 in die beiden übrigen radialen Endnuten 34a, 34b eingefügt werden. Der Zentrierstift 48 wird in die miteinander fluchtenden Öffnungen 28 und 38 des inneren Kardanrings und des sternförmigen Körpers eingeführt, wobei jeder Schlitz an einer Ecke des sich kreuzenden Paars von vertikalen Biegearmen 24, 24' liegt. Weitere Lötmaterial-Elemente 52 und 54 werden auf den sternförmigen Körper gelegt. Dann werden die oberen Hälften 20' und 16' des inneren Kardanrings und des Außenrings auf den sternförmigen Körper aufgebracht, wobei der obere vertikale Biegearm 24 in den übrigen Vertikalschlitzen des Innen- und des Außenrings festgelegt wird. Enden der nach oben vorstehenden Federabschnitte 36 werden ebenfalls in Schlitzen der oberen Hälften 20' und 16' festgelegt. Die inneren Endnuten 34a sind in den inneren Ringhälften und die äußeren Endnuten 34b in den äußeren Ringhälften eingeschlossen.

Es ist zu beachten, daß diese Biegevorrichtung vergleichsweise wenig Bauteile und Bearbeitungsschritte erfordert und doch weitgehend selbstausrichtend und selbsthalternd ist. Die Fluchtung des inneren Kardanrings und des sternförmigen Körpers relativ zur Hauptachse und zueinander ergeben sich durch den Zentrierstift 48 im Zusammenwirken mit den Biegearmen 24, 24' , wie vorstehend beschrieben. Die Biegearme werden durch den Zentrierstift und die Nuten bzw. Schlitze im Innen- und Außenring in erwünschter räumlicher Orientierung festgelegt.

Die zusammengefügten Komponenten werden aneinander in der erwünschten Beziehung dadurch gesichert, daß die Vorrichtung auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der das Lot flüssig wird und die inneren und äußeren Ringhälften mit dem sandwichartig dazwischen angeordneten sternförmigen Körper verschmilzt. Durch das Hartlöten werden auch die Enden und Mitten der Biegearme 24 und 24' mit dem Innen -und dem Außenring und mit den angrenzenden Abschnitten des sternförmigen Körpers gesichert. Somit ist es mit der angegebenen Vorrichtung möglich, sämtliche Komponenten derselben gleichzeitig mit Hart-

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lötvorgängen zu löten, die an vielen Stellen gleichzeitig durchgeführt werden.

Es können jedes übliche Lotmaterial und übliche Verfahren für den jeweils gewählten Werkstoff angewandt werden. Ein geeigneter Werkstoff ist eine Silberlegierung mit einem Schmelzpunkt von ca. 704 ⁰C. Während des Lötvorgangs wird die Vorrichtung auch wärmebehandelt und gehärtet, indem sie auf ca. 982 ⁰C erwärmt, langsam auf Raumtemperatur, dann auf ca. -73 C abgekühlt und wieder auf Raumtemperatur gebracht wird. Hartlöten erfolgt vorzugsweise unter Vakuum ohne Flußmittel. Während des Lötvorgangs fließt überschüssiges Lot zu der Kammer 58, die am Außenrand des Außenrings 16 gebildet ist, und zu den Schlitzen des Zentrierstifts 48, wo es sich automatisch gleichmäßig verteilt. Da zwischen den zentralen Abschnitten jedes Federabschnitts und den weiten Mittenbereichen der Öffnungen 34 ein erheblicher Spielraum vorhanden ist, ist das Fließen des Lots zu den Endnuten 34a und 34b begrenzt. Es besteht also nicht die Gefahr, daß sich die vertikalen Biegearme nicht unabhängig voneinander durchbiegen. Nach dem Hartlöten und Abkühlen können der Außenring und zwischengelegte Teile des äußeren Ringabschnitts 32 des sternförmigen Körpers und des Außenrings in vier voneinander getrennte Sektoren 16a-16d entsprechend Fig. 1 getrennt werden.

Die folgenden Abmessungen dienen als Beispiel für eine Rotoranordnung der in den Fig. 1-3 gezeigten Art. Der sternförmige Körper und die sich kreuzenden Biegearme 24 und 24' bestehen aus rostfreiem Stahlband mit einer Dicke von ca. 0,076 mm. Der Außendurchmesser des sternförmigen Körpers beträgt ca. 10.9 mm. Die Gesamtlänge der Öffnung 34 und der radialen Endnuten 34a und 34b beträgt ca. 3,81 mm. Die maximale Weite der Öffnung 34 beträgt ca. 0,49 mm, und die Weite der Endnuten 34a, 34b beträgt ca. 0,15 mm, so daß die vertikalen Biegearme, deren Dicke ca. 0,076 mm beträgt, darin aufnehmbar sind.

Die sich kreuzenden Biegearme weisen eine Gesamtlänge von ca. 10,9 mm und eine Höhe (ohne die Federabschnitte 36) von ca. 9,78 mm auf. Die Federabschnitte 36 haben jeweils eine Höhe von 1,05 mm und eine Länge von 4,06 mm. Jede Außenringhälfte hat einen Außendurchmesser von 11,42 mm und einen Innendurchmesser von 8,89 mm, und die Vertikalschlitze 46 erstrecken sich in Radialrichtung bis zu einer Tiefe von ca. 1,01 mm mit einer Breite von 0,13 mm. Jede Hälfte 16' und 16" hat eine Höhe von ca. 3,05 mm. Der Innenring hat bevorzugt einen größten Außendurchmesser von 3,81 mm, einen kleinsten Außendurchmesser von 1,65 mm, und jede Hälfte hat eine Höhe von ca. 1,47 mm. Der Zentrierstift 48 hat eine Länge von 8,63 mm und einen Durchmesser von 1,59 mm. Die Schlitze 48' verlaufen über eine Länge von 5,66 mm und haben eine Weite von 0,13 mm.

Der sternförmige Körper weist gemäß Fig. 3 einen inneren Mittenbereich 26, der über vier identische, gleichwinklig beabstandete radial verlaufende Stege mit einem ringförmigen Außenbereich 32 verbunden ist. Bei Betrachtung eines typischen Stegs 3Od ist ersichtlich, daß dieser aus zwei identischen, zueinander spiegelbildlichen Abschnitten auf entgegengesetzten Seiten der ungefähr elliptischen mittigen Öffnung 34 besteht. Jeder Abschnitt weist zwei relativ breite Enden auf, die mit dem inneren Mittenbereich 26 bzw. dem ringförmigen Außenbereich 32 verbunden sind. Jeder Abschnitt weist ferner eine relativ schmale Einschnürung etwa in der Mitte seiner Längserstreckung auf. Die Abwicklung dieser Konfigurationen der Stege und deren Zweck wird nachstehend erläutert.

Fig. 4 zeigt einen einseitig eingespannten Schenkel von parabolischer Form mit einer Länge L, der bei 102 eingespannt ist. Die Beaufschlagung mit einer Last am unbefestigten Ende ist mit P bezeichnet. Bei einer parabolischen Konfiguration wie im vorliegenden Fall ist die Schenkeltiefe h nicht gleichbleibend, sondern hat einen Wert y an jedem Punkt X, wobei die Spannung S an allen Punkten X gleichbleibend ist. Die Spannungsgleichung kann dann auf die parabolische Gleichung von

Fig. 4 reduziert werden. Jedoch sind die Stegabschnitte des sternförmigen Körpers nicht einfache einseitig eingespannte Schenkel, sondern beidendig gehalterte Schenkel.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines einfachen Schenkels mit einer Länge L und einer Höhe h, der an beiden Enden fest gehaltert ist. Wenn nun auf P eine Kraft zur Einwirkung kommt, erfolgt ein Biegen entsprechend Fig. 6, und das rechte Ende wird nach unten bewegt. Effektiv verhält sich die Konstruktion wie zwei einseitig eingespannte Schenkel, deren jeder die Länge L/2 hat und von einer Kraft P beaufschlagt ist.

In Fig. 7 sind anstelle des Schenkels von Fig. 6 zwei parabolische Elemente entsprechend Fig. 4, die jeweils die Länge L/2 aufweisen, gezeigt. Da sich die beiden Parabeln an einem Berührungspunkt ihrer Scheitelpunkte treffen, wird durch Hinzufügen eines Bereichs von überbrückungsmaterial entsprechend Fig. 8 eine mittige Verbindungsstelle gebildet, so daß eine in der Praxis einsetzbare Konstruktion erhalten wird. Der Überbrückungsbereich wird natürlich bei dem ursprünglichen Stanzvorgang, durch den der sternförmige Körper erzeugt wird, gebildet.

Bei bekannten sternförmigen Körpern mit im wesentlichen rechteckförmigen Stegen sind die während des Verdrehens des Drehpunkts auftretenden mechanischen Spannung an den Schenkelenden, an denen der Steg gehaltert ist, am höchsten und Null in der Mitte. Ermudungsbedingter Ausfall tritt an den Punkten höchster mechanischer Spannung auf. Bei dem Konstantspannungsschenkel gemäß der Erfindung wird die mechanische Spannung vermindert und gleichmäßig verteilt, und es besteht nicht die Gefahr, daß dadurch ein Ausfall des sternförmigen Körpers auftritt.

Beim Einsatz in einem dynamisch abgestimmten Gyroskop weist die Biegebefestigungsvorrichtung gemäß der Erfindung struk-

turelle und thermoelastische Eigenschaften auf, die denjenigen einer teuren, stark maschinell bearbeiteten einstückigen Biegebefestigungsvorrichtung weit überlegen sind, wobei andererseits eine erhebliche Verringerung der Fertigungskosten erzielt wird. Insbesondere wird die Biegebefestigungsvorrichtung bevorzugt aus drei Komponenten mit vergleichweise einfacher Konfiguration gebildet, die aus relativ kostengünstigein Blech herstellbar sind. Beim Einsatz zur Befestigung der Komponenten des dynamisch abgestimmten Gyroskops können der Innen- und der Außenring mit einfachen Bearbeitungsvorgängen geformt werden und umschließen die engen radialen Nuten an den Enden der Stege, wodurch etwaige unerwünschte Auswirkungen auf die Biegefederwirkung verhindert werden. Ferner wird eine Vorrichtung angegeben, bei der die verschiedenen Komponenten zu einer einzigen Einheit durch gleichzeitige Hartlötvorgänge an einer Vielzahl Stellen verbunden werden. Der Lötvorgang erfordert keine komplizierten und teuren Einspannvorrichtungen, die bei bekannten Konstruktionsverfahren typischerweise verwendet werden. Schließlich trägt die Konfiguration des sternförmigen Körpers mit miteinander verbundenen parabolischen einseitig eingespannten Schenkeln zu einer langen Lebensdauer, präziserer Fertigung und verbessertem Betriebsverhalten des Gyroskops bei.

Die Erfindung wurde zwar in Verbindung mit ihren bevorzugten Ausführungsformen zur Montage der Komponenten eines dynamisch abgestimmten Gyroskops unter Bildung einer Kardankupplung zwischen einer Antriebswelle und einem Rotor erläutert, für den Fachmann sind jedoch verschiedene Modifikationen und Änderungen ohne weiteres ersichtlich.

Claims

Patentansprüche

1. Biegebefestigungsvorrichtung für ein Trägheitsinstrument, das eine Antriebswelle und ein angetriebenes umlaufendes Teil aufweist, die normalerweise koaxial zu einer Hauptachse verlaufen, zum Verbinden der Antriebswelle mit dem angetriebenen umlaufenden Teil, wobei eine winkelmäßige Auslenkung des angetriebenen Teils mit zwei Freiheitsgraden um zur Hauptachse senkrechte Achsen möglich ist,
gekennzeichnet durch einen sternförmigen Körper (22), der normalerweise quer zu der Hauptachse (14) angeordnet ist und vier gleichwinklig beabstandete Stege (30a-30d) aufweist, die von einem inneren Mittenbereich (26) angrenzend an die Antriebswelle zu einem äußeren Ringbereich (32) angrenzend an das umlaufende Teil verlaufen, wobei jeder Steg (30a-30d) zwei gleichartige Abschnitte umfaßt, deren jeder die ungefähre Form von zwei an ihren Scheitelpunkten miteinander verbundenen Parabeln hat.

2. Biegebefestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sternförmige Körper (22) zwischen den beiden Abschnitten jedes Stegs (30a-30d) jeweils eine relativ große Öffnung (34) aufweist, wobei jede Öffnung durch relativ enge, radial verlaufende Nuten (34a, 34b) verlängert ist, die in dem inneren Mittenabschnitt (26) und dem äußeren Ringabschnitt (32) gebildet sind.

65-83-103-Schö

3. Biegebefestigungsvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch sich kreuzende Biegearme (24, 24¹) mit Federabschnitten (36), wobei die Federabschnitte (36) in die radial verlaufenden Nuten (34a, 34b) eingelötet sind.

4. Biegebefestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abschnitt Überbrückungsmaterial an den Scheitelpunkten unter Bildung einer Verbindung zwischen diesen aufweist.

5. Biegebefestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abschnitt jedes Stegs (30a-30d) ein Paar einseitig eingespannte Schenkel umfaßt.

6. Biegebefestigungsvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch zueinander quer verlaufende Arme (24, 24¹) mit daran angeformten Federabschnitten (36), wobei letztere in die relativ engen, radial verlaufenden Nuten (34a, 34b) eingreifen.

7. Biegebefestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steg (30a-30d) über seine Länge so ausgebildet ist, daß er einen Konstantspannungsschenkel bildet.