DE3783126T2

DE3783126T2 - Befestigung fuer einen praezisionswandler.

Info

Publication number: DE3783126T2
Application number: DE19873783126
Authority: DE
Inventors: L Norling; F Tonn
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1986-06-27
Filing date: 1987-06-25
Publication date: 1993-05-27
Anticipated expiration: 2007-06-26
Also published as: JPH0477249B2; EP0272316A4; EP0272316A1; IL83008A; WO1988000348A1; JPS63503572A; DE3783126D1; EP0272316B1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Befestigungssysteme für Präzisionswandler, und insbesondere auf ein Spannungsfreies Befestigungssystem für einen Wandler, wie beispielsweise einem Beschleunigungsaufnehmer.

Hintergrund der Erfindung

Es ist oft notwendig, einen Präzisionswandler von externen Spannungen freizuhalten. Solche Spannungen können durch eine mechanische Verformung des Gehäuses oder einer anderen Struktur, an der der Wandler befestigt ist, oder durch unterschiedliche thermische Ausdehnung oder Kontraktion zwischen Wandler und dem Gehäuse verursacht werden. Die Isolation von externen Spannungen kann im Prinzip durch die Verwendung von nachgiebigen Befestigungssystemen erreicht werden. Ein nachgiebiges Befestgigungssystem kann jedoch im allgemeinen keine präzise und stabile Ausrichtung des Wandlers relativ zu seinem Gehäuse gewährleisten. Für viele Wandler ist eine solche Ausrichtung kritisch, um eine einwandfreie Funktion zu erzielen. Ein nachgiebiges Befestigungssystem kann darüber hinaus zu unerwünschten mechanischen Schwingungen des Wandlers führen, wenn das Gehäuse Vibrationen ausgesetzt ist.
Ein Typ eines Präzisionswandlers, der insbesondere externen Spannungen ausgesetzt ist, ist ein Beschleunigungsaufnehmer. Dies resultiert teilweise durch die Anforderung nach einer extrem hohen Genauigkeit. Ein Beschleunigungsaufnehmer ist ein Beispiel für ein Gerät, das relativ zu seinem Gehäuse weder die Position verändern noch vibrieren darf. Eine frühere Montagetechnik für Beschleunigungsaufnehmer bestand darin, den Beschleunigungsaufnehmer an dem Gehäuse mit Hilfe eines Metallrings oder mit Hilfe eines Konstruktionsklebers, beispielsweise eines Epoxidharzes, zu befestigen. Diese frühere, unnachgiebige Befestigungstechnik führt zu Spannungen, die auf den Beschleunigungsaufnehmer aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen zwischen dem Beschleunigungsaufnehmer und dem Befestigungsring und dem Gehäuse auftraten. Bei den früheren Techniken wurden Spannungen auf den Beschleunigungsaufnehmer auch dann übertragen, wenn das Gehäuse einer mechanischen Verformung unterlag. Die Verformung kann dadurch hervorgerufen werden, daß das Gehäuse auf einer umgebenden Halterung befestigt wird oder daß unterschiedliche thermische Ausdehnungen zwischen Gehäuse und der Halterung auftreten. Insbesondere bei erhöhten Temperaturen können Dimensionsinstabilitäten bei den Epoxid-Verbindungsmaterialien auftreten. All diese Spannungen können das Ausgangssignal eines Präzisions-Beschleunigungsaufnehmers beeinträchtigen und zu einer reduzierten Stabilität führen. Die durch Temperatur verursachten Spannungen können darüber hinaus zu einer vergrößerten Abweichung des Ausgangssignals des Beschleunigungsaufnehmers mit der Temperatur führen und thermisch induzierte Fehler im Ausgangssignal des Beschleunigungsaufnehmers erzeugen. Demzufolge wurde ein verbessertes Befestigungssystem für einen Präzisionswandler einen erheblichen, nachhaltig begrüßten technischen Fortschritt darstellen.
Unsere eigene britische Patentanmeldung GB-A-2181550, veröffentlicht als WO-A-86/03300, beschreibt und beansprucht ein Befestigungssystem für einen Präzisionswandler, das zur Vermeidung von durch Temperatur verursachten Spannungen und durch Temperatur verursachten Fehlern im Ausgangssignal des Geräts ausgebildet ist. Das Befestigungssystem weist einen Befestigungsring auf, der einen zylindrischen Befestigungsabschnitt des Wandlers in einer Ausrichtung relativ und mit Abstand zu einem tragenden Gehäuse hält. Der Befestigungsring weist eine ringförmige Anordnung von gegenseitig beabstandeten Befestigungselementen auf, von denen jedes an seiner Spitze mit dem tragenden Gehäuse verbunden ist und am Boden mit der Wandlerbefestigung verlötet oder verschweißt ist.
Durch eine Vielzahl von Brückenabschnitten am unteren Ende der Befestigungselemente sind diese zu einem kontinuierlichen Band verbunden. Das Material der Brückenabschnitte und der Befestigungselemente ist so ausgewählt, daß es mit dem Material des Wandlers kompatibel ist, um thermische Spannungen zu reduzieren.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das Befestigungssystem gemäß WO-A-86/03300 erheblichen Verbesserungen zugänglich ist.
Die Verbesserungen werden durch ein Befestigungssystem erzielt, wie es in dem unabhängigen Anspruch 1 beansprucht wird.
Wenigstens die ersten Befestigungsendabschnitte und die Brückenabschnitte sind aus einem Material gebildet, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der im wesentlichen gleich dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Wandlers ist. Der Zwischenabschnitt jedes Befestigungsmittels ist so ausgebildet, daß er einen niedrigen Widerstand gegenüber einer relativen Bewegung zwischen dem Wandler und dem Gehäuse in radialer Richtung und einen hohen Widerstand gegenüber einer relativen Bewegung zwischen Wandler und dem Gehäuse in Richtungen senkrecht zu der radialen Richtung aufweist. Eine Differenz in der thermischen Ausdehnung des Wandlers und des Gehäuses bewirkt daher keine Spannungen auf den Wandler oder verursacht eine Dejustierung zwischen Wandler und dem Gehäuse.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung eines Beschleunigungs-Aufnehmers, der in einem Gehäuse mit einem Befestigungssystem befestigt ist, das in der Patentanmeldung WO-A-86/03300 beschrieben und beansprucht ist;
Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung eines Befestigungsrings des erfindungsgemäßen Befestigungssystems;
Fig. 3 ist eine Schnittdarstellung, die die Verbindung eines Befestigungselements zwischen dem Wandler und dem Gehäuse des Befestigungssystems gemäß Fig. 2 zeigt;
Fig. 4 ist eine Seitenansicht eines Abschnitts des Befestigungsrings des Befestigungssystems gemäß Fig. 2; und
Fig. 5 eine Teildarstellung des Befestigungsrings gemäß Fig. 4.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Beschleunigungs-Aufnehmer, der mit Hilfe des Befestigungssystems der WO-A-86/03300 befestigt ist. Der Beschleunigungsaufnehmer gemäß Fig. 1 weist ein Gehäuse 12, einen Wandler 14 und einen Befestigungsring 16 auf. Das Gehäuse 12 ist mit einer zylindrischen Seitenwand 18, einer Bodenwand 20 und einem Flansch 22 versehen. Der Flansch 22 weist Befestigungslöcher 24 auf, die zur Befestigung des Gehäuses und des Beschleunigungsaufnehmers an einer Traganordnung dienen.
Der Wandler 14 hat eine im wesentlichen zylindrische Form und weist zwei Anregungsringe 26 und 27 auf, die durch ein Bauchband 28 verbunden sind. Der Wandler 14 wird hier als ein Beschleunigungsaufnehmer angesehen, der auf Beschleunigungen in Richtung einer Meßachse S durch Erzeugung eines elektrischen Signals reagiert, das die Richtung und die Größe der Beschleunigung anzeigt. Der Wandler 14 ist am Anregungsring 27 durch den Befestigungsring 16 an dem Gehäuse 12 befestigt. Der Befestigungsring 16 sorgt für eine präzise und stabile Ausrichtung des Wandlers 14, so daß der Wandler nicht translatorische oder Drehbewegungen relativ zum Gehäuse ausführen kann. Der Befestigungsring 16 erlaubt jedoch eine unterschiedliche radiale oder volumetrische thermische Expansion oder Kontraktion zwischen dem Wandler 14 und dem Gehäuse 12 und dient darüber hinaus dazu, den Wandler von Spannungen zu isolieren, die andernfalls durch eine Deformation des Gehäuses entstehen würden. Eine Deformation des Gehäuses 12 kann durch Anbringen des Flansches 22 auf einer nicht völlig ebenen Fläche oder durch eine unterschiedliche thermische Ausdehnung zwischen Flansch und seinem Träger entstehen.
Der Befestigungsring 16 weist eine zylindrische Anordnung von elastischen Brückenabschnitten oder Biegeträgern auf, die jeder in radialer Richtung nachgiebig sind, einer Deformation in anderen Richtungen jedoch widerstehen. Die Träger sind voneinander mit Ausnahme an ihren unteren Enden, beabstandet; an ihren oberen Enden sind sie mit radial auswärts gewandten Stücken oder Flanschen versehen, die zur Befestigung, beispielsweise mit Hilfe eines Klebstoffs, an dem Gehäuse 12 dienen.
An seinem unteren Umfangsrand ist der Befestigungsring 16 als eine kontinuierliche, zylindrische Innenfläche ausgebildet. Der Radius dieser Innenfläche ist so dimensioniert, daß er zu dem Radius der benachbarten Außenfläche des Wandlers 14 paßt. Der Befestigungsring 16 ist durch Schweißen oder Hartlöten mit dem Wandler 14 verbunden, wodurch eine feste und einteilige Verbindung zwischen dem Befestigungsring und dem Wandler 14 hergestellt wird. Die Befestigungsebene des Wandlers 14 an dem Montagering 16 wird in der WO-A-86/03300 als vorzugsweise soweit wie möglich vom Flansch 22 des Gehäuses 12 entfernt beschrieben, um die Übertragung einer Spannung von dem Gehäuseflansch zum Wandler zu minimieren.
Das Ziel der in WO-A-86/03300 beschriebenen Erfindung ist, den Befestigungsring 16 an dem Wandler 14 so anzubringen, daß eine minimale Spannung produziert wird, wenn der Wandler und der Befestigungsring einer thermischen Expansion oder Kontraktion unterliegen. Dieses Ergebnis wird dadurch erzielt, daß wenigstens der untere kontinuierliche Ring und die Brückenabschnitte aus einem Material gefertigt werden, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der ungefähr dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Wandlers 14, und in dem speziellen Ausführungsbeispiel, das in der Zeichnung dargestellt ist, des Anregungsrings 27 gleicht. Jegliches Füllmetall oder Lötmaterial, das zum Verbinden des Befestigungsrings an dem Wandler benutzt wird, sollte entweder sehr dünn sein oder einen thermischen Expansionskoeffizienten aufweisen, der an den thermischen Expansionskoeffizienten des Wandlers und des Befestigungsrings angepaßt ist. In einem in der WO-A-86/0300 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Befestigungsring 16 in einer Gesamtheit aus einem Metall gefertigt, das identisch mit dem Metall ist, aus dem der Anregungsring 27 besteht, und ist an dem Anregungsringteil des Wandlers 14 ohne Zuhilfenahme von Füllmetall angeschweißt. Wegen seines geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist eine 36% Nickel-Eisen-Legierung, die unter dem Warenzeichen INVAR verkauft wird, ein besonders geeignetes Metall, aus dem der Anregungsring 27 und der Befestigungsring 16 hergestellt sein kann.
Die Fig. 2 bis 4 illustrieren ein erfindungsgemäßes Befestigungssystem. Dabei weist der Befestigungsring 16 eine Mehrzahl von Befestigungselementen 30 (vgl. Fig. 5) auf. Jedes Befestigungselement 30 weist ein Paar Biegeträger 36 auf, von denen der rechte einen Befestigungsabschnitt 32 aufweist, der in einem nach außen gewandten Stück oder Flansch 40 endet, der wie in WO-A-86/03300 mit dem Gehäuse 12 verbunden ist, und der linke einen Befestigungsendabschnitt 34 aufweist, der in einem nach innen gewandten Stück oder Flansch 40' endet, der mit dem Befestigungsabschnitt 27 des Wandlers verbunden ist; ein Brückenabschnitt 38 verbindet die Biegeträger 36 an den von den Stücken 40, 40' abgewandten Enden. Darüber hinaus verbinden die Brückenabschnitte 38 entlang der Basis des Befestigungsrings 16 die Befestigungselemente zu einem einzigen, im wesentlichen zylindrischen Befestigungsring 16.
Die Fig. 3 und 4 verdeutlichen weitere Einzelheiten des Befestigungselements 30 und der Anordnung, durch die die Befestigungselemente mit dem Wandler und dem Gehäuse verbunden sind. Das rechte Ende 34 und das linke Ende 32 jedes Befestigungselementes 30 liegt im wesentlichen in derselben Ebene (also eine horizontale Ebene senkrecht zu der Zylinderachse des Wandlers 14). Wie am besten aus Fig. 3 hervorgeht, weist das linke Ende 32 das angeformte Stück 40' mit einer auswärts gerichteten Fläche 42' auf. Das rechte Ende 34 ist mit einem angeformten Stück 40 versehen, das eine einwärts gerichtete Oberfläche 42 aufweist. Beide Oberflächen 42 und 42' haben vorzugsweise eine zylindrische Kontur, die der Kontur der benachbarten Innenwand der Seitenwand 18 des Gehäuses 12 entspricht. Jedes Stück kann mit der benachbarten Seitenwand 40 (also 40 mit 18; 40' mit 27) durch eine Klebschicht 44 oder 44' oder in anderer Weise verbunden sein. Es sollte beachtet werden, daß jedes Ende jedes Befestigungselementes 30 entweder mit dem Gehäuse 12 oder dem Wandler 14 verbunden ist, jedoch nicht mit beiden. Dieses Merkmal, kombiniert mit den bevorzugten nachgebenden Eigenschaften der Träger 36, reduziert das Ausmaß einer auf den Wandler wirkenden externen Spannung.
Jeder Zwischenabschnitt oder Träger 36 ist so dimensioniert, daß er eine nachgiebige Achse aufweist, die in radialer Richtung (angegeben durch Pfeile 52 und 54 in Fig. 3) aufweist. Die nachgiebige Achse jedes Trägers 36 schneidet vorzugsweise die axiale Mittellinie des Wandlers. Jeder Träger 36 ist vorzugsweise so dimensioniert, daß er in Richtungen senkrecht zu den Pfeilen 52 und 54 im wesentlichen steif ist (d. h. entlang der Länge L des Befestigungselements 30 und in den Richtungen, die in die Zeichenebene und aus der Zeichenebene in Fig. 3 herauszeigen). Eine unterschiedliche radiale oder volumetrische thermische Expansion (Oder Kontraktion) zwischen dem Wandler 14, dem Befestigungsring 16 und dem Gehäuse 12 führt somit zu einer Relativbewegung zwischen dem Wandler und dem Gehäuse, die entlang der nachgiebigen Achsen jedes Trägers verläuft. Demgemäß biegen sich die Träger, um die relative Bewegung ohne eine Übertragung einer wesentlichen Spannung auf den Wandler 14 aufzunehmen. Die Steifigkeit der Träger 36 in einer Richtung senkrecht zu ihren nachgiebigen Achsen führt demgegenüber zu einem Befestigungssystem, in dem der Wandler nicht rotieren oder eine resultierende translatorische Bewegung relativ zu dem Gehäuse 12 ausführen kann. Im Falle eines Beschleunigungsaufnehmers wird daher die empfindliche Achse des Beschleunigungsaufnehmers mit der steifesten und festesten Achse der Träger zusammenfallend oder dazu ausgerichtet ausgebildet (Träger in direkter Kompression). Dies minimiert Frequenzgangfehler und Phasenverschiebungsfehler, die auf die mechanische Übertragungsfähigkeit des Aufhängungssystems zurückzuführen sind.
Die gewünschten nachgiebigen Eigenschaften jedes Trägers 36 werden vorzugsweise dadurch erreicht, daß die Breite W (vgl. Fig. 4) und die Länge L (vgl. Fig. 3) jedes Trägers 36 wesentlich größer als die Dicke T (vgl. Fig. 3) dieses Trägers ausgeführt wird. Die Breite W jedes Trägers 36 muß natürlich (im Hinblick auf den Umfang des Befestigungsrings 16) begrenzt werden, so daß jeder Träger im wesentlichen eben und nachgiebig in radialer Richtung ist. Im allgemeinen sind Verhältnisse der Breite zur Dicke zwischen ungefähr 10:1 und 20:1 am geeignetesten, obwohl andere Verhältnisse in Abhängigkeit von der Art des Wandler- und des Befestigungsringmaterials benutzt werden können. Ein bevorzugter Befestigungsring 16 weist 24 gleich beabstandete Befestigungselemente auf, von denen jedes ein Länge-Dicke-Verhältnis von ungefähr 21:1 und ein Breite-Dicke-Verhältnis von ungefähr 12:1 hat. Der Abstand zwischen benachbarten Befestigungselementen (also die Breite der Zwischenräume 56) sollte groß genug sein, um eine gegenseitige Störung zwischen den Trägern aufgrund thermischer Expansion oder seismischer Ereignisse zu vermeiden. Mit Bezug auf Fig. 3 sollten die Abmessungen, mit denen sich die Stücke 40 und 40' von der Ebene der Befestigungselemente 30 erstrekken, in ähnlicher Weise groß genug sein, um eine gegenseitige Beeinflussung unter den Befestigungselementen, dem Wandler 14 und dem Gehäuse 12 zu vermeiden.
Falls dies sinnvoll ist, kann eine elektrische Isolation des befestigten Wandlers dadurch erreicht werden, daß ein Befestigungselement verwendet wird, das aus einem Vorformling hergestellt worden ist, der aus einer mit Epoxid gebundenen Glasmatte hergestellt ist. Die Isolation des Wandlers vermeidet Erdschleifen und ermöglicht in manchen Fällen, daß das Gehäuse ein gespeister Teil des Detektorkreises ist.

Claims

1. Befestigungssystem für einen im allgemein zylindrischen Präzisionswandler (14), mit einem Befestigungsring (16), der eine ringförmige Anordnung von Befestigungselementen (30) aufweist, die miteinander zu einem geschlossenen Band durch eine Vielzahl von Brückenabschnitten (38) verbunden sind und einen zylindrischen Befestigungsabschnitt (27) des Wandlers in einer Ausrichtung mit Abstand zu einem tragenden Gehäuse (12) halten, wobei jedes Befestigungselement (30) versehen ist mit:

einem ersten Befestigungsendabschnitt (32), der an dem tragenden Gehäuse (12) befestigt ist;

einem zweiten Befestigungsabschnitt (34), der an dem Befestigungsabschnitt (27) des Wandlers befestigt ist; und

federnden, ebenen Verbindungszwischenstücken (36), die axial zueinander ausgerichtet sind und die ersten und zweiten Befestigungsabschnitte (32, 34) miteinander verbinden, wobei die federnden Ebenen Verbindungszwischenstücke (36) bezüglich der relativen Bewegung zwischen den Befestigungsendabschnitten (32, 34) einen niedrigen Widerstand in einer radialen Richtung und einen hohen Widerstand gegenüber einer solchen Bewegung in axialen und Umfangsrichtungen aufweist,

wobei wenigstens die zweiten Befestigungsendabschnitte (34) und die Brückenabschnitte (38) aus einem Material gebildet sind, das eine etwa gleiche thermische Ausdehnung aufweist, wie das des Wandlers, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Befestigungsendabschnitte (32, 34) benachbart zueinander, aber durch Zwischenräume getrennt in derselben Befestigungsebene angeordnet sind, die im wesentlichen senkrecht zu der Achse des Wandler-Befestigungsabschnitts liegt und daß sich die Verbindungszwischenstücke (36) auf eine Seite der Befestigungsebene erstrecken.

2. Befestigungssystem nach Anspruch 1, in dem die federnden ebenen Verbindungszwischenstücke (36) ein Paar federnder ebener Verbindungsabschnitte (36) aufweist, die miteinander und mit den Verbindungsabschnitten von benachbarten Befestigungselementen (30) über die Brückenabschnitte (38) verbunden sind.

3. Befestigungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, in dem jeder der ersten Endabschnitte (32) in einem auswärts vorstehenden Befestigungsstück (40) endet, das mit dem tragenden Gehäuse (12) verbunden ist und daß jedes der zweiten Endabschnitte (34) in einem einwärts vorstehenden Befestigungsstück (40) endet, das mit dem Befestigungsabschnitt (27) des Wandlers (14) verbunden ist.

4. Befestigungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, in dem der gesamte Befestigungsring (16) aus einem Material gebildet ist, das einen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, der im wesentlichen gleich dem des Wandlers ist.

5. Befestigungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, in dem die Brückenabschnitte (38) benachbarte Befestigungselemente (30) mit Zwischenräumen voneinander trennen, die den Zwischenräumen zwischen den ersten und zweiten Enden (32, 34) eines einzelnen Befestigungselements (30) gleichen.

6. Befestigungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, in dem der Wandler ein Beschleunigungsaufnehmer mit einer kraftaufnehmenden Achse ist und die Ebene jedes Zwischenabschnitts im wesentlichen parallel zu der kraftaufnehmenden Achse liegt.