-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Schwingungsisolationssysteme zur
Begrenzung der Übertragung
von extern erzeugter Erschütterungs-
und Stoßenergie
auf mechanisch empfindliche Bauteile. Insbesondere handelt es sich
bei der vorliegenden Erfindung um ein Schwingungsisolationssystem
zur Befestigung eines Gehäuses
für eine
Trägheitsmessgeräteanordnung
an einem Träger,
der Stoß und
Erschütterung
ausgesetzt ist. Das Schwingungsisolationssystem verwendet ein einzelnes,
integrales elastomeres Glied zur Aufnahme und Dämpfung von Stoß- und Erschütterungsenergie.
-
In
bestimmten Umgebungen ist es erforderlich, mechanisch empfindliche
Sensoranordnungen gegen Stoß- und Erschütterungsenergie
zu isolieren. Bei vielen Anwendungen wird dies durch Anordnen der
Sensoranordnung und anderer erforderlicher Elemente in einer bestimmten
Art von Behälter
oder Gehäuse
erreicht. Es werden häufig
elastische stoß- und
erschütterungsabsorbierende
Halterungen verwendet, um die Übertragung
von extern erzeugter Erschütterungs- und Stoßenergie
in das die Sensoranordnung enthaltende Gehäuse zu begrenzen.
-
Das
Erfordernis, eine Sensoranordnung gegen Stoß und Erschütterung zu isolieren, ist besonders
groß,
wenn es sich bei der Sensoranordnung um eine Trägheitssensoranordnung (ISA – inertial sensor
assembly) handelt, die auch als Trägheitsmesseinheit (IMU – inertial
measurement unit) bekannt ist. Eine ISA enthält in der Regel Trägheitssensoren,
wie zum Beispiel Beschleunigungsmesser und Ringlaserkreisel. Gewöhnlich sind
drei Beschleunigungsmesser und drei Kreisel mit ihren Eingangsachsen
in besonderer Beziehung angeordnet. Die Sensoren sind allgemein
starr und genau an einer Sensorbasis befestigt, die wiederum zusammen mit
zugehöriger
Elektronik und Hardware genau in einem Gehäuse befestigt ist. Gemeinhin
ist das Gehäuse
wiederum über
Aufhängungshalterungen
oder Schwingungsisolatoren an einem Träger oder Chassis angebracht.
Das Chassis ist wiederum steif und genau an einem Rahmen eines Fahrzeugs,
wie zum Beispiel eines Flugzeugs, befestigt.
-
Im
Betrieb liefern die Sensoren Trägheitsdaten,
wie zum Beispiel Linear- und Winkelbeschleunigungsinformationen,
an einen Navigationsrechner an Bord des Flugzeugs. Der Navigationsrechner
verarbeitet die Daten zur Flugsteuerung und/oder Navigation des
Flugzeugs. Für
eine optimale Leistung müssen
die Sensoren der ISA genaue Trägheitsdaten
an den Navigationsrechner liefern. Flugzeugmanöver (das heißt Beschleunigung,
Längsneigungsänderungen,
Rollen und Gieren, Start und Landung), Turbulenzen und Triebwerksbetrieb
erzeugen alle Stoß- und
Erschütterungsenergie,
die über
den Flugzeugrahmen an den Träger
für die
ISA weitergeleitet wird. Diese Stoß- und Erschütterungsenergie
kann sich als Linear- oder Winkelbeschleunigungsfehler in den durch
die Sensoren an den Navigationsrechner gelieferten Trägheitsdaten
ausdrücken.
Somit ergibt sich das Erfordernis der von einem Schwingungsisolator
bereitgestellten Stoß-
und Erschütterungsisolation
der ISA.
-
Ein
solches bekanntes Schwingungsisolationssystem 10 für eine ISA 12 ist
in den 1 und 2 dargestellt. Die ISA 12 enthält Trägheitssensoren 14, die
in einem Gehäuse 16 befestigt
sind, das durch ein Basisglied 18 und ein Abdeckglied 20 definiert
wird, welche durch einen Dichtungsring 22 auf in der Technik
bekannte Weise abdichtend zusammengefügt sind. Die Trägheitssensoren 14 werden
durch drei Beschleunigungsmesser und drei Ringlaserkreisel und ihre
zugehörige
Elektronik und Hardware definiert, wie in der Technik allgemein
bekannt ist. Ein im Abdeckglied 20 angebrachter elektrischer
Verbinder 24 gestattet die Übertragung der Trägheitsdaten
zwischen den Trägheitssensoren 14 und
einem (nicht gezeigten) Navigationsrechner an Bord eines Flugzeugs.
-
Das
Basisglied 18 des Gehäuses 16 enthält drei
gleichmäßig um den
Umfang des Basisglieds 18 beabstandete Befestigungslappen 26 (von
denen in 1 nur zwei
zu sehen sind). Jeder Befestigungslappen 26 enthält eine Öffnung 28,
die zur Aufnahme eines Gewindebefestigungselements 30 ausgeführt ist.
Die Befestigungselemente 30 nehmen damit zusammenwirkende
Gewindeöffnungen 32 des
Trägheitsrings 34 in
Eingriff, um die ISA 12 sicher am Trägheitsring 34 zu befestigen.
-
Wie
am besten in 1 zu sehen,
enthält das
Schwingungsisolationssystem 10 drei Isolatorhalterungen 36.
Jede Isolatorhalterung 36 enthält einen äußeren Rahmen 38, der
zum Halten eines elastomeren Elements 40 ausgeführt ist,
welches der Isolatorhalterung 36 ihre Stoß- und Erschütterungsisolationsfunktionalität verleiht.
Das elastomere Element 40 ist ein torisches Glied, das
unter Verwendung von in der Technik allgemein bekannten standardmäßigen Spritzgießverfahren
gleichzeitig an dem äußeren Rahmen 38 und
einem inneren Öffnungselement 42 angeformt
ist. Das elastomere Material ist ein Phenyl-Methyl-Vinyl-Silikon
der Formel 2FC303A19B37E016F1-11G11 nach Spezifikation in Schrift
ASTM-D2000 der American Society for Testing and Materials (ASTM – Amerikanische
Gesellschaft für
Prüfungen
und Materialien). Silikonmaterialien dieser Art werden von zahlreichen
Herstellern für
die verschiedensten zugehörigen
Anwendungen hergestellt. Das innere Öffnungselement 42 jedes elastomeren
Elements 40 ist zur Aufnahme eines Gewindebefestigungselements 44 ausgeführt. Jedes Gewindebefestigungselement 44 nimmt
ein damit zusammenwirkendes Gewindeloch 46 des Trägheitsrings 34 in
Eingriff, um das elastomere Element 40 der jeweiligen Isolatorhalterung 36 an
dem an der ISA 12 angebrachten Trägheitsring 34 zu befestigen. Wie
am besten in 1 zu sehen
sind die Isolatorhalterungen 36 gleichmäßig um den Trägheitsring 34 beabstandet.
Wie am besten in 2 zu
sehen sind die äußeren Rahmen 38 der
Isolatorhalterungen 36 über
Gewindebefestigungselemente 50 an einem Träger 48 befestigt
(der gestrichelt und der Übersicht halber
bezüglich
einer der Isolatorhalterungen 36 nur teilweise gezeigt
ist). Die Befestigungselemente 50 erstrecken sich durch Öffnungen 52 des
Trägers 48 zur
Ineingriffnahme der Gewindeöffnungen 54 der äußeren Rahmen 38 der
Isolatorhalterungen 36.
-
Obgleich
die Isolatorhalterungen 36 des Schwingungsisolationssystems 10 die
ISA 12 vor über
den Träger 48 weitergeleitete
Stoß-
und Erschütterungsenergie
angemessen isolieren, treten bei der Verwendung mehrerer einzelner
Isolatorhalterungen einige Schwierigkeiten auf. Bei Verwendung mehrerer
einzelner Isolatorhalterungen ist es zum Beispiel erforderlich,
die Isolatoreigenfrequenzen der auf einer gewählten ISA zu verwendenden Isolatorhalterungen
aufeinander abzustimmen. Mit anderen Worten, da Eigenfrequenzabstimmung
gewöhnlich
auf der ISA-Integrations-Ebene erforderlich ist, muss jede einzelne
Isolatorhalterung getestet, abgesondert und gemäß ihrer bestimmten Eigenfrequenz
und ihrem bestimmten Verstärkungsfaktor markiert
werden. Dann werden die abgesonderten Isolatorhalterungen als abgestimmte
Sätze zur
Installation an einer ausgewählten
ISA verpackt. Wenn eine Isolatorhalterung des abgestimmten Satzes während des
Montagevorgangs beschädigt
wird oder verloren geht, muss der ganze abgestimmte Satz weggeworfen
werden, da nicht abgestimmte Halterungen eine nicht kompensierbare
Bewegung der ISA gestatten, die zu Trägheitsdatenfehlern führt.
-
Eine
andere bei der Verwendung mehrerer einzelner Isolatorhalterungen
auftretende Schwierigkeit ergibt sich daraus, dass die einzelnen
Halterungen an verschiedenen Stellen um die ISA herum befestigt
sind. Es muss darauf geachtet werden, dass der Schwerpunkt der ISA
genau angebracht und auf die elastischen Zentren der Isolatorhalterungen
ausgerichtet wird. Sonst können
Versätze
zwischen dem Schwerpunkt und dem elastischen Zentrum zu nicht kompensierten
Schaukel- und Kegelbewegungen
in der ISA führen,
die als Trägheitsdatenfehler
zutage treten. Deshalb sind Systeme mit mehreren einzelnen Isolatorhalterungen
schwer herzustellen und somit teuer.
-
Es
besteht ein Bedarf an verbesserten Schwingungsisolationssystemen
für ISAs.
Insbesondere besteht ein Bedarf an einem Schwingungsisolationssystem,
dank dessen auf eine Abstimmung der Eigenfrequenzen von mehreren
Isolatorhalterungen verzichtet werden kann, während eine akzeptable Stoß- und Erschütterungsisolation
der ISA gewährleistet
wird. Darüber
hinaus sollte es relativ leicht sein, das elastische Zentrum des
Schwingungsisolationssystems auf den Schwerpunkt der ISA auszurichten.
Und schließlich
sollte das Schwingungsisolationssystem relativ leicht und kostengünstig herzustellen
sein.
-
KURZE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung ist ein Schwingungsisolationssystem zur Befestigung
einer Trägheitssensoranordnung
(ISA) an einem Träger,
der Stoß und
Erschütterung
ausgesetzt ist. Das Schwingungsisolationssystem enthält ein ringförmiges elastomeres
Glied, ein starres, ringförmiges
Außenglied und
ein starres, ringförmiges
Innenglied. Das Außenglied
umgibt das elastomere Glied und ist daran befestigt. Darüber hinaus
ist das Außenglied
am Träger befestigt.
Das Innenglied ist von dem elastomeren Glied umgeben und an diesem
befestigt. Des Weiteren ist das Innenglied so an der ISA befestigt,
dass das elastomere Glied die ISA gegen Stoß und Erschütterung isoliert, der bzw.
die ansonsten vom Träger
auf die ISA übertragen
werden könnte.
Dank des Schwingungsisolationssystems kann auf eine Abstimmung der
Eigenfrequenzen von mehreren Isolatorhalterungen verzichtet werden,
da nur ein einziges elastomeres Glied verwendet wird. Da nur ein
einziges elastomeres Glied vorhanden ist, ist es außerdem relativ
leicht, das elastische Zentrum des elastomeren Glieds auf den Schwerpunkt
der ISA auszurichten. Das Schwingungsisolationssystem sorgt für eine verbesserte
Stoß-
und Erschütterungsisolation der
ISA und lässt
sich relativ leicht und kostengünstig herstellen.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist eine perspektivische
Explosionsdarstellung eines Fachleuten bekannten Schwingungsisolationssystems
für eine
Trägheitssensoranordnung.
-
2 ist eine perspektivische
Ansicht des in 1 gezeigten
bekannten Schwingungsisolationssystems im zusammengebauten Zustand.
-
3 ist eine perspektivische
Explosionsdarstellung eines Schwingungsisolationssystems für eine Trägheitssensoranordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
-
4 ist eine perspektivische
Ansicht des in 3 gezeigten
Schwingungsisolationssystems.
-
5 ist eine Teilschnittansicht
des Schwingungsisolationssystems entlang der Linie 5-5 in 4, wobei der Übersicht
halber ein Gewindebefestigungselement und ein Träger entfernt worden sind.
-
AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
In
den 3–5 wird ein Schwingungsisolationssystem 60 für eine Trägheitssensoranordnung (ISA) 62 gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Wie in den 3 und 5 gezeigt, enthält das Schwingungsisolationssystem 60 eine
durch ein ringförmiges
elastomeres Glied 64, ein starres, ringförmiges Außenglied 66 und
ein starres, ringförmiges
Innenglied 68 definierte Isolatorhalterung 63.
Das Außenglied 66 umgibt
das elastomere Glied 64 und ist damit konzentrisch. Wie
am besten in 5 zu sehen,
ist eine innere Seitenwand 70 des Außenglieds 66 kanalförmig, um
für eine
angemessene Oberfläche
zur Befestigung des elastomeren Glieds 64 am Außenglied 66 zu
sorgen. Des Weiteren enthält
das Außenglied 66 drei
gleichmäßig (das
heißt
in einem Abstand von 120°)
um den Umfang des Außenglieds 66 beabstandete Öffnungen 72.
Wie in 4 zu sehen, sind
die Öffnungen 72 zur
Aufnahme eines Gewindebefestigungselements 74 ausgeführt (von
denen in 4 nur zwei
zu sehen sind). Die Gewindebefestigungselemente 74 nehmen
(nicht gezeigte) Gewindelöcher
in einem Träger 76 in
Eingriff, der Stoß und
Erschütterung
ausgesetzt ist. Der Träger 76 weist
eine Öffnung 77 auf,
die zur freien Aufnahme der ISA 62 dadurch ausgeführt ist.
Der Träger 76 ist Teil
eines Fahrzeugs. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Träger 76 ein
am Rahmen eines Flugzeugs befestigtes Chassis.
-
Wie
in den 3 und 5 zu sehen, ist das Innenglied 68 von
von dem elastomeren Glied 64 umgeben und damit konzentrisch.
Wie am besten in 5 zu
sehen, enthält
eine äußere Seitenwand 78 des
Innenglieds 68 einen sich radial erstreckenden Stegteil 80,
der die zur Befestigung des elastomeren Glieds 64 am Innenglied 68 zur
Verfügung
stehende Oberfläche
der äußeren Seitenwand 78 vergrößert. Das
elastomere Glied 64 enthält ausgeschnittene Bereiche 82,
die mit dem Außen- und dem Innenglied 66 bzw. 68 konzentrisch
sind. Die ausgeschnittenen Bereiche 82 verleihen dem elastomeren
Glied 64 eine gewisse Flexibilität, die zur Dämpfung und
Aufnahme von von dem Träger 76 übertragener
ungewollter Stoß-
und Erschütterungsenergie
beiträgt.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das elastomere Glied 64 aus einem Pheny-Methyl-Vinyl-Silikonkautschuk
der Formel 2FC303A19B37E016F1-11G11 nach Spezifikation in Schrift
ASTM-D2000 der American Society for Testing and Materials (ASTM – Amerikanische
Gesellschaft für
Prüfungen
und Materialien) hergestellt. Silikonmaterialien dieser Art werden
von zahlreichen Herstellern für
die verschiedensten zugehörigen
Anwendungen hergestellt. Das Außen-
und das Innenglied 66 bzw. 68 werden aus einer
Aluminiumlegierung hergestellt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird das elastomere Silikonkautschukmaterial unter hoher Temperatur
und hohem Druck in eine Höhlung
zwischen dem Außen-
und dem Innenglied 66 bzw. 68 spritzgegossen.
Das Silikonkautschukmaterial haftet an den Metallflächen des
Außen-
und des Innenrings 66 bzw. 68 und hält das Schwingungsisolationssystem 60 zusammen.
Das Silikonkautschukmaterial verleiht dem Schwingungsisolationssystem 60 seine
Hauptisolations/-dämpfungsfunktionalität.
-
Wie
in den 3–5 zu sehen, befestigt eine Verbindungsvorrichtung 84 den
Innenring 68 des Schwingungsisolationssystems 60 an
einem Gehäuse 86 der
ISA 62. Das Gehäuse 86 wird
durch ein Basisglied 88 und ein Abdeckglied 90 definiert,
die durch einen Dichtungsring 92 auf in der Technik bekannte
Weise abdichtend miteinander verbunden sind. Das Gehäuse 86 enthält und schützt Trägheitssensoren 93 der
ISA 62. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Trägheitssensoren 93 durch
drei Beschleunigungsmesser und drei Ringlaserkreisel und ihre zugehörige Elektronik
und Hardware definiert, wie in der Technik allgemein bekannt ist.
Ein im Abdeckglied 90 montierter elektrischer Verbinder 94 gestattet
die Übertragung
von Trägheitsdaten
zwischen den Trägheitssensoren 93 und
einem (nicht gezeigten) Navigationsrechner an Bord des Flugzeugs.
-
Wie
am besten in 5 zu sehen,
enthält
die Verbindungsvorrichtung 84 einen durch einen Gewindebereich 96 an
einer inneren Seitenwand 98 des Innenglieds 68 definierten
Einstellmechanismus. Der Gewindebereich 96 ist mit einem
damit zusammenwirkenden Gewindeteil 100 an einer äußeren Seitenwand 101 des
Basisglieds 88 des Gehäuses 86 zusammengefügt. Durch
den Gewindeeingriff zwischen dem Gewindebereich 96 und
dem Gewindeteil 100 wird die ISA 62 am Schwingungsisolationssystem 60 befestigt
und eine begrenzte Linearbewegung des Gehäuses 86 der ISA 62 entlang
einer Längsachse 102 der
ISA 62, die senkrecht zu einer durch das elastomere Glied 64 definierten
Ebene verläuft,
gestattet. Die durch den oben erwähnten Gewindeeingriff gestattete
begrenzte Linearbewegung gestattet eine Ausrichtung eines lateralen
Schwerpunkts 104 der ISA 62 (das heißt des Gehäuses 86)
auf ein elastisches Zentrum 106 des elastomeren Glieds 64 des Schwingungsisolationssystems 60.
Wie am besten in 5 zu
sehen, liegt der laterale Schwerpunkt 104 entlang einer
lateralen Achse 108 der ISA 62, das heißt senkrecht
zur Längsachse 102.
-
Wie
in den 3 und 5 zu sehen, enthält die Verbindungsvorrichtung 84 weiterhin
einen durch ein elastisches Glied 110, das zwischen einem
Absatzabschnitt 112 an der äußeren Seitenwand 102 des Basisglieds 88 des
Gehäuses 86 und
einem Absatzbereich 114 an der inneren Seitenwand 98 des
Innenglieds 68 wirkt, definierten Haltemechanismus. Das elastische
Glied 110 wird in einem Kanal 116 an der äußeren Seitenwand 101 des
Basisglieds 88 festgehalten. Das elastische Glied 110 stellt
eine Federkraft bereit, die bei Komprimierung des elastischen Glieds zwischen
dem Absatzabschnitt 112 und dem Absatzbereich 114 zwischen
dem Gehäuse 86 und
dem Innenglied 68 wirkt, wenn die ISA 62 auf das
Schwingungsisolationssystem 60 geschraubt wird. Die Federkraft
hält die
Position der ISA 62 bezüglich
des Schwingungsisolationssystems 60 und dadurch auch die
Ausrichtung des lateralen Schwerpunkts 104 der ISA 62 auf
das elastische Zentrum 106 des Schwingungsisolationssystems 60 aufrecht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist das elastische Glied 110 ein O-Ring, der aus einem
Material der Formel 8GE409A19B37EA14G11E016E036F19 nach Spezifikation
in Schrift ASTM-D2000 der American Society for Testing and Materials
(ASTM – Amerikanische Gesellschaft
für Prüfungen und
Materialien) hergestellt ist. Materialien dieser Art werden von
zahlreichen Herstellern für
die verschiedensten zugehörigen
Anwendungen hergestellt.
-
Das
Schwingungsisolationssystem 60 isoliert die ISA 62 gegen
Stoß und
Erschütterung,
der bzw. die sonst vom Träger 76 auf
die ISA 62 übertragen
werden können.
Dank des Schwingungsisolationssystems 60 kann auf eine
Abstimmung der Eigenfrequenzen von mehreren Isolatorhalterungen
verzichtet werden, da nur ein einziges elastomeres Glied 64 verwendet
wird. Da nur ein einziges elastomeres Glied 64 vorhanden
ist, ist es darüber
hinaus relativ leicht, das elastische Zentrum 106 des elastomeren Glieds 64 auf
den Schwerpunkt 104 der ISA 62 auszurichten. Das
Schwingungsisolationssystem 60 sorgt für eine akzeptable Stoß- und Erschütterungsisolation
der ISA 62 und lässt
sich relativ leicht und kostengünstig
herstellen.
-
Obgleich
die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben worden ist, ist für
Fachleute offensichtlich, dass ohne Abweichung von der Erfindung
an Form und Detail Änderungen
durchgeführt
werden können.