DE69218237T2

DE69218237T2 - Strukturlärmisolator

Info

Publication number: DE69218237T2
Application number: DE69218237T
Authority: DE
Inventors: James Brazell; Jamil Lahham
Original assignee: Sperry Marine Inc
Current assignee: Litton Marine Systems Inc
Priority date: 1991-12-06
Filing date: 1992-12-02
Publication date: 1997-06-19
Anticipated expiration: 2012-12-03
Also published as: AU6442796A; DE69218237D1; EP0614513B1; AU669868B2; CA2122441A1; GR3023328T3; ES2102002T3; US5267720A; TR27957A; AU3233593A; WO1993011371A1; EP0614513A1; NZ246244A; AU679144B2

Description

Ausgangspunkt der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Schwingungsisolatoren und insbesondere auf eine Vorrichtung zur Verringerung von in einer Struktur entstehenden Störgeräuschen oder von Körperschall aufgrund von Schwingungen, die auf einer Plattform durch eine darauf befestigte, sich bewegende Masse hervorgerufen werden.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Ein Ringlaser-Kreiselgerät (RLG) verwendet zwei monochromatische Laserstrahlen, die sich in entgegengesetzten Richtungen um eine geschlossene Schleife herum ausbreiten. Eine Drehung der Vorrichtung um die Schleifenachse vergrößert effektiv die Strahlpfadlänge in einer Richtung und verringert die Strahlpfadlänge in der entgegengesetzten Richtung. Weil die Laserfrequenzen der beiden sich in entgegengesetzten Richtungen drehenden Strahlen Funktionen der Laserpfadlänge sind, ruft die unterschiedliche Pfadlänge, die durch die Drehung des RLG ausgebildet wird, einen Frequenzunterschied zwischen den beiden Strahlen hervor. Die Größe und das Vorzeichen dieser Frequenzdifferenz stellen die Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung des RLG dar und können für diese Zwecke in bekannter Weise überwacht werden. Bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten ist der Frequenzunterschied zwischen den sich in entgegensetzten Richtungen drehenden Strahlen klein und die Strahlen neigen dazu, mit der gleichen Frequenz in Resonanz zu sein, d.h. einzurasten, so daß das RLG stationär zu sein scheint. Dieses Einrasten verhindert, daß das RLG Drehgeschwindigkeiten mißt, die gleich der oder kleiner als die Einrast- Drehgeschwindigkeit sind. Um die Einrast-Drehgeschwindigkeit zu verringern, wird das RLG mechanisch in Schwingungen oder in eine Zitterbewegung um seine Achse versetzt, um eine Drehung in eine Richtung und dann in der anderen Richtung hervorzurufen. Diese Zitterbewegung liefert ein Signal an den Ausgangsanschlüssen, das im wesentlichen von der mechanischen Schwingung unabhängig ist, jedoch eine eine scheinbare Drehung in jeder Richtung aufrechterhält, wodurch die Einrast-Drehgeschwindigkeit verringert wird.
Die Schwingungsbewegung führt dazu, daß die Struktur, auf der das RLG befestigt ist, in Schwingungen versetzt wird, wodurch ein Struktur-Störgeräusch oder Körperschall erzeugt wird, was in nachteiliger Weise Geräte beeinflußt, die mechanisch mit der Befestigungsstruktur gekoppelt sind. Ein bekanntes Verfahren zur Verringerung von Körperschall ist in dem US-Patent 5 012 174 auf den Namen von Charles M. Adkins, et al beschrieben, das auf die vorliegende Anmelderin übertragen wurde. Adkins et al beschreiben ein Gerät, das direkt an der RLG-Plattform befestigt ist und elektronisch Gegenschwingungen der Plattform hervorruft, um Schwingungen aufzuheben, die von dem die Zitterbewegung ausführenden RLG hervorgerufen werden. Die von Adkins et al beschriebene Vorrichtung ist jedoch mechanisch und elektrisch kompliziert und zu aufwendig für die Verwendung mit dem relativ kostengünstigen RLG.
Andere bekannte Verfahren zur Verringerung von Körperschall sind in der EP-A-0 100 785, die den Oberbegriff des Anspruchs 1 wiedergibt, und in der GB-A-965 134, die den Oberbegriff des Anspruchs 3 wiedergibt, offenbart. Die Vorrichtung nach der letzteren Veröffentlichung umfaßt eine Schraubenfeder und einen Körper aus stark gedämpftem Elastomer, der die Last haltert und und mit der Schraubenfeder gekoppelt ist. Die Feder und das Elastomermaterial sind in einem Gehäuse eingeschlossen. Die EP-A-0 100 785 beschreibt einen Befestigungsring für schwingungsempfindliche Geräte, die über Federn an einer Serie von Haltestreben aufgehängt sind, die an einem Außenring befestigt sind. Der Außenring ist über weitere Federn an weiteren Aufhängestreben aufgehängt, die an einer Bank-Oberfläche befestigt sind. Der Stand der Technik ergibt keine ausreichende Störschwingungsisolation für Geräte, die mechanisch mit der in Zitterbewegungen versetzten RLG-Befestigungsstruktur gekoppelt sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung ist durch jeden der Ansprüche 1 und 3 definiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Körperschall-Isolator eine passive, präzisionsbearbeitete Baugruppe, die eine eine große Härte aufweisende Stahl-Schraubenfeder und ein hohe Verluste aufweisendes Dämpfungsmaterial in einer "klemmenartigen" Kopplungsbeziehung einschließt. Die Schraubenfeder dämpft den Körperschall und hält die Struktur-Ausrichtung aufrecht, während das Dämpfungsmaterial übermäßige Auslenkungen des Körperschallisolators dämpft, die durch Stoß- und Schwingungskräfte hervorgerufen werden, die durch für den Körperschallisolator externe Kräfte auf diesen Körperschallisolator ausgeübt werden. Die gesamte Baugruppe umfaßt ein Innengehäuse, mit dem die Schraubenfeder durch Schrumpfsitz verbunden ist, eine Nabe, eine Abdeckung und ein Außengehäuse. Das Innengehäuse ist in das Außengehäuse eingesetzt und von dem Außengehäuse durch einen Anschlagpuffer getrennt, der mit der Basis des Außengehäuses verbunden ist. Nach dem Einsetzen des Innengehäuses in das Außengehäuse liegen Flansche auf dem Innen- und Außengehäuse in einer gemeinsamen Ebene und sind abwechselnd mit Abständen zwischen diesen Flanschen angeordnet. Eine hohe Verluste aufweisende Dämpfungsmasse ist in die Räume zwischen den Flanschen eingegossen. Diese Dämpfungsmasse vergrößert die Torsionssteifigkeit und beschränkt eine seitliche Bewegung. Die Abdeckung wird über der Schraubenfeder angeordnet und mit den Flanschen der äußeren Baugruppe gekoppelt. Ein zweiter Anschlagpuffer wird über der Abdeckung angeordnet und trennt die Abdeckung von der Nabe, die mit den Flanschen des Innengehäuses gekoppelt ist.
Diese Körperschallisolatoren können gemäß der Erfindung in einem Zweiachsensystem verwendet werden, das mit einer inneren Achse, an der eine interne Meßeinheit (IMU) befestigt werden kann, und einer äußeren Achse konfiguriert ist, um die innere Achse von der äußeren Achse zu isolieren und die äußere Achse von einem äußeren Rahmen zu isolieren, an der sie befestigt ist. Die Isolatoren an jeder Achse sind derart angeordnet, daß eine die Isolatoren verbindende Linie durch den Schwerpunkt der isolierten Masse hindurchläuft. Diese Konfiguration isoliert die Störgeräusche nahe an der Quelle, wodurch die Erregung von strukturellen Resonanzen verringert wird und weiterhin verhindert wird, daß Translations-Störungen, die durch Stöße und Schwingungen hervorgerufen werden, mit Drehungen der isolierten Masse gekoppelt werden. Daher ergibt der Stärgeräusch-Isolator der vorliegenden Erfindung eine erhebliche Verringerung des Körperschalls, der von der Befestigungsplattform des schwingenden Elementes übertragen wird.
Diese und andere Grundgedanken der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen weiter verständlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Querschnitts-Umrißzeichnung eines schwingenden Elementes, das in einem Zweiachsen-System befestigt ist. Die Positionierung der Störgeräuschisolatoren zur Isolation einer Achse von der anderen und zur Isolation der beiden Achsen gegenüber dem Befestigungsrahmen ist klar in der Zeichnung ersichtlich.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf einen Störgeräusch-Isolator, der gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist.
Fig. 2A ist eine Ansicht des Störgeräusch-Isolators im entspannten Zustand entlang des Querschnittes A-A nach Fig. 2.
Fig. 2B ist eine Ansicht des Störgeräusch-Isolators in dem entspannten Zustand entlang des Querschnittes B-B nach Fig. 2.
Fig. 3A ist eine schaubildliche Darstellung der Baugruppe aus der Feder und dem Innengehäuse des Störgeräusch- Isolators.
Fig. 3B ist eine schaubildliche Darstellung der äußeren Gehäusebaugruppe des Störgeräusch-Isolators.
Fig. 3C ist eine schaubildliche Darstellung der Störgeräusch-Isolator-Baugruppe.
Fig. 4A ist eine Ansicht des Störgeräusch-Isolators im vorbelasteten Zustand entlang des Querschnittes A-A nach Fig. 2.
Fig. 4B ist eine Ansicht des Störgeräusch-Isolators in dem vorbelasteten Zustand entlang des Querschnittes B-B nach Fig. 2.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Es sei nunmehr auf die Fig. 1 Bezug genommen. Ein Block 11 mit einem darauf befestigten vibrierenden oder schwingenden Element 12, wie zum Beispiel einem in Zitterbewegungen versetzten Ringlaser-Kreiselgerät, ist mechanisch mit einem Roll-Drehglied 13 oder Innenrahmen über identische Störgeräusch- Isolatoren 14a und 14b gekoppelt. Das Roll-Drehglied 13 ist seinerseits mechanisch mit einem Rahmen 17 über Störgeräusch- Isolatoren 18a und 18b gekoppelt, die identisch zu den Störgeräusch-Isolatoren 14a,14b sind. Eine Bewegung des Elementes 12 ruft eine Schwingung des Blockes 11 und die Erzeugung von Körperschall hervor. Dieses Störgeräusch oder der Körperschall ist von dem Roll-Drehglied 13 durch die Störgeräusch-Isolatoren 14a,14b in einer nachfolgend zu beschreibenden Weise entkoppelt.
Die mechanische Kopplung des Roll-Drehgliedes 13 mit dem Rahmen 17 über die Störgeräusch-Isolatoren 18a,18b ergibt eine weitere Verringerung des Körperschalls, der auf den Rahmen 17 übertragen wird. Diese mechanische Anordnung isoliert das Störgeräusch oder den Körperschall nahe an der Quelle, wodurch Körperschall, der von dem Block 11 auf den Rahmen 17 über das Roll-Drehglied 13 übertragen wird, beträchtlich verringert wird.
Ein Schutz des Elementes 11 gegenüber Translationsstörungen, die durch auf den Rahmen einwirkende Stöße und Schwingungen hervorgerufen werden, wird dadurch erzielt, daß die Störgeräusch-Isolatoren 14a,14b und 18a,18b derart angeordnet werden, daß eine Linie entlang der jedes Paar verbindenden Isolator-Achsen durch den Schwerpunkt der Baugruppe aus dem Block 11, dem Element 12 und dem Roll-Drehglied 13 verläuft. Diese Anordnung wirkt im Sinn einer Verhinderung der Umwandlung von auf den Rahmen 17 ausgeübten und durch Stöße und Schwingungen hervorgerufenen Translations-Störungen in Drehkräfte, die auf die befestigten Elemente einwirken.
Ein Störgeräusch-Isolator, der für die Störgeräusch-Isolatoren 14a, 14b, 18a und 18b verwendet werden kann, umfaßt eine präzisionsgeschliffene Spiralfeder aus gehärtetem Stahl, ein mit Präzision maschinell bearbeitetes Innengehäuse, eine Nabe, eine Abdeckung und ein Außengehäuse, die so angeordnet sind, wie dies in den Fig. 2, 2A und 2B gezeigt ist, in denen gleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Fig. 2 ist eine Draufsicht auf einen derartigen Isolator, wobei in dieser Figur die Abdeckung 21 und die Nabe 23 gezeigt sind. Weiterhin ist in dieser Figur eine hohe Verluste aufweisende Dämpfungsmasse 25 gezeigt, die zwischen den Innen- und Außengehäusen an vier Stellen eingegossen ist, um die in der Schraubenfeder fehlende Torsionssteifigkeit zu vergrößern und um eine seitliche Bewegung aufgrund von äußeren Schwingungen und Stößen zu beschränken. Die Dämpfungsmasse 25 kann ein Polyurethan-Elastomer sein, wie zum Beispiel "ISOLOSS", das von der Firma EAR Division der Cadot Corporation, Indianapolis, Indiana, USA geliefert wird.
Weitere Einzelheiten des Störgeräusch-Isolators ergeben sich aus den Querschnittsansichten A-A und B-B in den Figuren 2A bzw. 2B. Die Schraubenfeder 27 ist mit Schrumpfsitz an einem Ende 27a an dem Innengehäuse 28 befestigt, während sie am anderen Ende 27b an der Abdeckung 21 befestigt ist. Das Innengehäuse 28 ist in das Außengehäuse 29 eingesetzt, wie dies klar in Fig. 2B gezeigt ist, während die Abdeckung 21 einen Einsatz bildet, an dem das andere Ende der Feder durch Schrumpfsitz befestigt ist, und die Abdeckung deckt das Innengehäuse ab und ist mit dem Außengehäuse verbunden. Schichten aus Dämpfungsmaterial 31 bzw. 32, die jeweils mit der Basis des Außengehäuses 29 bzw. der oberen Oberfläche der Abdeckung 21 fest verbunden sind, wirken als Anschlagpuffer, um die Bewegung entlang der Achse der Schraubenfeder 27 zu begrenzen, die durch externe Stöße und Schwingungen hervorgerufen werden. Wie dies klar in Fig. 2A gezeigt ist, deckt die Nabe 23 die Abdeckung 21 ab und ist mit dem Innengehäuse 28 verbunden. Das Dämpfungsmaterial 31 und 32 kann ein thermoplastisches Material sein, wie es unter der Bezeichnung "ISODAMP" ebenfalls von der EAR Division der Cadot Corporation vertrieben wird.
Es sei nunmehr auf die Figuren 3A, 3B und 3C Bezug genommen, die schaubildliche Darstellungen des Innengehäuses und der Schraubenfeder, des Außengehäuses bzw. des Zusammenbaus des Störgeräusch-Isolators ohne die Abdeckung und Nabe zeigen. In Fig. 3A ist die Schraubenfeder 27 nach dem Einsetzen in die Basis des Innengehäuses 28 und in die Abdeckung 21 gezeigt. Die Fig. 3B zeigt klar das Außengehäuse 29 mit dem an der Basis angeordneten Anschlagpuffer 31. Die Baugruppe aus dem Innengehäuse 28 und dem Außengehäuse 29 mit dem dazwischen eingefügten Dämpfungsmaterial 25 ist in Fig. 3C gezeigt. Weiterhin ist das Dämpfungsmaterial 32 gezeigt, das die Abdeckung 21 abdeckt. Dieses Abdeckmaterial ergibt eine zusätzliche Anschlagpufferwirkung, um die Einwirkung äußerer Stöße und Schwingungen entlang der Achse der Schraubenfeder 27 weiter zu begrenzen.
In dem in in den Fig. 2A und 2B gezeigten entspannten Zustand, stehen das Innengehäuse 28 und die Nabe 23 jeweils in Berührung mit den Anschlagpuffern 31 bzw. 32. Für den Fachmann ist zu erkennen, daß die Störgeräusch-Isolatoren 14a, 14b, 18a und 18b (Fig. 1) in diesem Zustand keine Störgeräusche dämpfen können. Dieser Zustand wird dadurch beseitigt, daß die Isolatoren vorbelastet werden, wenn ein Paar von Isolatoren eingebaut wird. Die Vorbelastung wird durch ausreichendes Komprimieren der Schraubenfedern 27 erreicht, um eine Berührung der Anschlagpuffer mit dem Innengehäuse und der Nabe zu beseitigen. Nach der Vorbelastung befindet sich der Block 11 im schwimmenden Zustand auf dem Roll-Drehglied 13 und das Roll-Drehglied 13 ist schwimmend auf dem Rahmen 17 befestigt. Die Konfiguration jedes Isolators nach der Vorbelastung ist in den Fig. 4A und 4B gezeigt.

Claims

1. Vorrichtung zur Schaffung einer Körperschall-Isolation zwischen einer einen Schwerpunkt aufweisenden Plattform- Baugruppe und einem Außenrahmen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung folgende Teile umfaßt:

einen Innenrahmen (13), der außerhalb der Plattform (11) und innerhalb des Außenrahmens (17) angeordnet ist;

ein erstes Paar von Isolatoren (14a,14b), die Federn einschließen und zwischen der Plattform und dem Innenrahmen entlang einer ersten gemeinsamen Achse derart angeordnet sind, daß sie die Plattform mit dem Innenrahmen koppeln, wobei die erste gemeinsame Achse durch den Schwerpunkt verläuft, und

ein zweites Paar von Isolatoren (18a, 18b), die Federn einschließen und zwischen dem Innenrahmen und dem Außenrahmen (17) entlang einer zweiten gemeinsamen Achse angeordnet sind, um den Innenrahmen mit dem Außenrahmen zu koppeln, wobei die zweite gemeinsame Achse durch den Schwerpunkt verläuft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Isolatoren folgende Teile einschließt:

ein Innengehäuse (28) mit einer Basis,

eine Feder (27), deren eines Ende mit der Basis des Innengehäuses (28) an einer Seite der Basis einwärts des Innengehäuses verbunden ist,

ein Außengehäuse (29) mit einer Basis, wobei das Innengehäuse (28) in das Außengehäuse so eingesetzt ist, daß sich die Basis des Innengehäuses benachbart zur Basis des Außengehäuses befindet,

eine Abdeckung (21), die eine mit einem Ende der Feder (27) entgegengesetzt zu dem genannten einen Ende verbundene Oberfläche aufweist und mit einem Ende des Außengehäuses (29) entgegengesetzt zur Basis des Außengehäuses gekoppelt ist, und

eine Nabe (23), die eine Basis benachbart zu einer Oberfläche der Abdeckung (21) entgegengesetzt zu der einen Oberfläche aufweist und mit dem Innengehäuse gekoppelt ist.

3. Störgeräusch-Isolator, der eine Feder und ein Außengehäuse einschließt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung die folgenden Teile umfaßt:

ein Innengehäuse (28) mit einer Basis,

wobei die Feder (27) mit einem Ende mit der Basis des Innengehäuses (28) an einer Seite der Basis einwärts des Innengehäuses verbunden ist,

ein Außengehäuse (29) mit einer Basis, wobei das Innengehäuse (28) in das Außengehäuse derart eingesetzt ist, daß die Basis des Innengehäuses benachbart zur Basis des Außengehäuses liegt,

eine Abdeckung (21), die eine mit einem Ende der Feder (27) entgegengesetzt zu dem einen Ende verbundene Oberfläche aufweist und mit einem Ende des Außengehäuses (29) gegenüberliegend zur Basis des Außengehäuses gekoppelt ist, und

eine Nabe (23), die eine Basis benachbart zu einer Oberfläche der Abdeckung (21) entgegengesetzt zu der einen Oberfläche aufweist und mit dem Innengehäuse (28) gekoppelt ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Feder (27) mit dem Innengehäuse (28) und der Abdeckung (21) durch einen Schrumpfsitz verbunden ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin:

einen ersten Anschlagpuffer (32), der zwischen der Basis der Nabe (23) und der Abdeckung (21) angeordnet ist, und

einen zweiten Anschlagpuffer (31) einschließt, der zwischen der Basis des Innengehäuses (28) und der Basis des Außengehäuses (29) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin eine hohe Verluste aufweisende Dämpfungsmasse (25) einschließt, die zwischen dem Innengehäuse (28) und dem Außengehäuse (29) eingefügt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (27) mit dem Innengehäuse (28) und der Abdeckung (21) durch Schrumpfsitzpassung verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (27) eine Schraubenfeder ist.